Báo cáo tổng kết đề tài - Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí

123 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Đơn vị công tác và Nội dung nghiên cứu STT Họ và tên lĩnh vực chuyên môn cụ thể được giao Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, 1 Bùi Văn Hùng Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ Chủ nhiệm đề tài Cơ khí Ô tô MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ................................................... 4 1.1. Vấn đề về môi trường ................................................................................................ 4 1.1.1. Vấn đề môi trường toàn cầu.............................................................................. 4 1.1.2. Thách thức đối với ngành công nghiệp ô tô ..................................................... 6 1.2. Tác hại của khí xả động cơ ô tô, xe máy ................................................................... 6 1.2.1. Khí thải ô tô ...................................................................................................... 6 1.2.2. Khí CO .............................................................................................................. 7 1.2.3. Khí HC .............................................................................................................. 7 1.2.4. Khí NOx ............................................................................................................ 7 1.3. Xu hướng phát triển của ô tô – xe máy hybrid trong tương lai................................. 8 1.3.1. Xe Hybrid tại Việt Nam .................................................................................... 9 1.3.2. Giới thiệu xe gắn máy hybrid LPG – Điện ..................................................... 10 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO XE GẮN MÁY HONDA CUB THÀNH XE GẮN MÁY HYBRID .................................................................................. 12 2.1. Thiết kế cải tạo xe gắn máy có sẵn thành xe gắn máy hybrid ................................ 12 2.1.1. Phân tích lưa chọn xe gắn máy để cải tạo ....................................................... 12 2.1.2. Phân tích các phương án lắp đặt động cơ nhiệt và động cơ điện .................... 13 2.2. Thiết kế bố trí hệ thống truyền động điện cho xe gắn máy hybrid ......................... 16 2.2.1. Thời điểm phối hợp công suất ........................................................................ 16 2.2.2. Phân tích, lựa chọn phương án phối hợp công suất ........................................ 16 2.3. Tính toán động học xe gắn máy hybrid................................................................... 21 2.3.1. Xác định động cơ điện .................................................................................... 21 2.3.2. Tính chọn ắc quy cho động cơ điện ................................................................ 24 2.4. Thiết kế hệ thống điều khiển cho xe gắn máy hybrid ............................................. 26 2.5. Nâng cao công suất và hiệu suất xe gắn máy hybrid .............................................. 28 2.5.1. Mục đích, yêu cầu ........................................................................................... 28 2.5.2. Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trên xe gắn máy hybrid ............................................................................................................. 29 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CUNG CẤP LPG ................................. 35 3.1. Giới thiệu nhiên liệu LPG ....................................................................................... 35 3.1.1. Nguồn gốc, phân loại LPG ............................................................................. 35 3.1.2. Một số đặc tính của LPG ................................................................................ 36 3.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu LPG cho xe gắn máy ....................................... 37 3.1.4. Lưu trữ khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ................................................................. 38 3.2. Lựa chọn phương án cấp LPG cho xe gắn máy ...................................................... 39 3.2.1. Tính toán lượng nhiên liệu LPG cung cấp ...................................................... 39 3.2.2. Nguyên lý phun LPG cho xe gắn máy ............................................................ 40 3.2.3. Sơ đồ tổng quát bố trí hệ thống cung cấp LPG ............................................... 41 3.3. Sử dụng bộ phụ kiện GATEC 27 trên xe Cub 50 ................................................... 42 3.3.1. Giới thiệu bộ phụ kiện GATEC 27 ................................................................. 42 3.3.2. Cấu tạo bộ phụ kiện GATEC 27 ..................................................................... 43 3.3.3. Bố trí bộ phụ kiện GATEC 27 ........................................................................ 44 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XE GẮN MÁY HYBRID LPG-ĐIỆN ........................................................................................................ 46 4.1. Thiết kế bố trí các hệ thống bổ sung ....................................................................... 46 4.1.1. Cải tạo phuộc để lắp trục bánh xe điện ........................................................... 46 4.1.2. Bố trí lắp đặt ắc quy cho động cơ điện ........................................................... 47 4.1.3. Bố trí lắp đặt bình chứa LPG cho động cơ nhiệt ............................................ 48 4.2. Thử nghiệm trên đường thực .................................................................................. 50 4.3. Kiểm tra thực nghiệm các thông số đã tính ban đầu .............................................. 50 4.4. Ưu nhược điểm của xe gắn máy hybrid sau quá trình cải tạo ................................. 51 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 54 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Ô nhiễm môi trường từ quá trình công nghiệp hóa. ............................................ 5 Hình 1.2. Diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp. .................................................................. 6 Hình 1.3. Toyota Prius Plug-In Hybrid (Trái) và xe tay ga Honda PCX Hybrid (Phải). .... 9 Hình 2.1. Xe gắn máy Honda Cub 50 với động cơ có dung tích xilanh 50cc ................... 13 Hình 2.2. Động cơ nhiệt gắn trên xe .................................................................................. 13 Hình 2.3. Các phương án bố trí động cơ điện ................................................................... 14 Hình 2.4. Hệ thống hybrid nối tiếp .................................................................................... 17 Hình 2.5. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp ...................................................... 17 Hình 2.6. Hệ thống hybrid song song ................................................................................ 18 Hình 2.7. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song .................................................. 19 Hình 2.8. Hệ thống hybrid hỗn hợp ................................................................................... 19 Hình 2.9. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp ..................................................... 20 Hình 2.10. Loại động cơ điện BLDC gắn trực tiếp trên vành bánh xe. ............................ 23 Hình 2.11. Bình ắc quy SKY – E Battery.......................................................................... 25 Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển xe gắn máy hybrid ............................................................... 27 Hình 2.13. Sơ đồ khối động cơ điện BLDC ...................................................................... 29 Hình 2.14. Các dạng cấu tạo của rotor .............................................................................. 30 Hình 2.15. Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang ............................................................... 30 Hình 2.16. Sơ đồ cấp điện cho các cuộc dây stato ............................................................ 31 Hình 2.17. Cầu chỉnh lưu 3 pha, bộ tăng áp và ổn định điện áp DC-DC .......................... 33 Hình 2.18. Sơ đồ hệ thống tự nạp điện của xe gắn máy hybrid ........................................ 34 Hình 3.1. Bình chứa LPG được chế tạo............................................................................. 38 Hình 3.2. Nguyên lý phun LPG xe cho cho gắn máy ........................................................ 40 Hình 3.3. Sơ đồ cung cấp LPG .......................................................................................... 41 Hình 3.4. Kết cấu bộ phụ kiện GATEC 27 ....................................................................... 43 Hình 3.5. Bố trí bộ phụ kiện GATEC 27 ........................................................................... 44 Hình 4.1. Động cơ điện có trục được nối cứng ................................................................. 46 Hình 4.2. Phuộc và bánh xe thiết kế cho xe gắn máy hybrid LPG- điện .......................... 47 Hình 4.3. Vị trí lắp đặt Accu ............................................................................................. 48 Hình 4.4. Bình gas được đặt trong thùng sau xe ............................................................... 48 Hình 4.5. Bản vẽ xe gắn máy LPG-điện trước và sau khi cải tạo ..................................... 49 Hình 4.6. Mô hình xe thực tế sau khi cải tạo ..................................................................... 49 Hình 4.7. Chạy thực nghiệm xe hybrid LPDG-điện trên đường phố ................................ 50 Mẫu 3. Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài KH&CN cấp Trường ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí - Mã số: T2019-06-123 - Chủ nhiệm: ThS. Bùi Văn Hùng - Thành viên tham gia: - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 9/2019 - 8/2020 2. Mục tiêu: + Chế tạo hoàn chỉnh mô hình xe gắn máy hybrid chạy bằng điện và nhiên liệu khí LPG. + Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống. 3. Tính mới và sáng tạo: Kết hợp hai nguồn động lực để thực hiện việc truyền chuyển đổng cho các bánh xe chủ động tạo điều kiện phù hợp về tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. 4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: + Có thể cải tạo xe gắn máy 50cc thành xe gắn máy hybrid điện-khí sử dụng các cụm bộ phận của xe máy điện hiện có trên thị trường. Điều này cho phép đơn giản hóa qui trình và giảm giá thành cải tạo xe. + Mô hình xe vận hành phù hợp với điều kiện đường xá đô thị Việt Nam. Xe hybrid LPG–Điện tối ưu hóa việc sử dụng công suất và giảm ô nhiễm môi trường. 5. Tên sản phẩm: + Bản vẽ thiết kế mô hình xe gắn máy hybrid điện-khí + Mô hình xe xe gắn máy hybrid phục vụ đào tạo + Bài báo đăng trên tạp chí khoa học và công nghệ đại học Đà Nẵng có chỉ số ISSN, thuộc danh mục Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: + Tài liệu và mô hình phục vụ tốt cho giảng viên, sinh viên ngành Công nghệ ô tô trong quá trình đào tạo và nghiên cứu các nội dung liên quan đến đề tài. + Đề tài cung cấp mô hình, công cụ cho quá trình giảng dạy thực hành đến sinh viên theo học chuyên ngành cơ khí động lực. 7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính Phương án bố trí động cơ điện trên xe gắn máy a. Động cơ điện đặt ở bánh xe trước; b. Động cơ điện đặt ở bánh xe sau; c. Động cơ điện đặt ở cả 2 bánh Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp 3 2 1 4 7 6 8 5 12 11 10 9 13 Sơ đồ cung cấp LPG 1- Bình chứa, 2- Khoá ga, 3- Van điều áp, 4- Van điện từ, 5- Van cấp LPG, 6- Đầu ra van cấp LPG, 7- Vít điều chỉnh công suất; 8- Vòi phun LPG, 9- Vòi phun không tải, 10- lỗ hút chân không; 11- Van hút chân không, 12-Bộ phụ kiện GATEC 27, 13-Vít điểu chỉnh không tải Cầu chỉnh lưu 3 pha, bộ tăng áp và ổn định điện áp DC-DC Sơ đồ điều khiển xe gắn máy hybrid Bộ phụ kiện GATEC 27 (a) (b) Bản vẽ xe gắn máy LPG-điện trước và sau khi cải tạo a. Xe gắn máy Honda Cub trước khi cải tạo b. Xe gắn máy Hybrid LPG-điện Mô hình xe thực tế sau khi cải tạo Ngày tháng năm Hội đồng KH&ĐT đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Mẫu 4. Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Design and manufacture of the Electric-Gas Multi Fuel Motorcyle models. Code number: Bui Van Hung Coordinator: Implementing institution: University of Technology and Education, The University of Danang Duration: from 9/2019 to 8/2020 2. Objective(s): + Complete manufacturing of Multi Fuel Motorcycle models using Electric-Gas energy + Run tests and evaluate the results of the system. 3. Creativeness and innovativeness: Combining two power sources to deliver the transfer of wheels for active wheels creates the right conditions for saving fuel and reducing environmental pollution. 4. Research results: + A 50cc motorcycle can be converted into an electric-gas hybrid motorcycle. Using the components of electric scooters available on the market. This allows for a simplified process and reduces the cost of vehicle modifications. + Vehicle operation model suitable for urban traffic conditions in Vietnam. The LPG - Electric hybrid vehicle optimizes capacity utilization and reduces environmental pollution. 5. Products: + Design drawing of electric-gas hybrid motorcycle model + Hybrid motorcycle model for training + Articles published in scientific journals: Journal of Science and Technology, The University of Danang 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: + Materials and models to well serve lecturers and students of Automotive Technology in the training and researching contents related to the topic. + The topic provides models and tools for the practical teaching process to students majoring in mechanics. Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 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 tham gia 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. Phương tiện giao thông "sạch" chạy trong thành phố đã thực sự lôi cuốn sự quan tâm của cả những nhà sản xuất ô tô lẫn các nhà quản lý môi trường. Các kỹ thuật mới nhằm hoàn thiện động cơ truyền thống như phun nhiên liệu điều khiển điện tử, hồi lưu khí xả, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng... đã tạo ra những bước tiến đáng kể trong ngành động cơ đốt trong. Tuy nhiên kết quả của sự hoàn thiện đơn thuần động cơ cổ điển nhằm giảm ô nhiễm môi trường cho tới nay vẫn còn xa so với sự mong đợi của các nhà bảo vệ môi trường. Phương tiện giao thông không phát sinh ô nhiễm (zero emission vehicle) vẫn đang còn là mục tiêu phía trước. Để đạt mục tiêu này thì điện và pile nhiên liệu là giải pháp lý tưởng nhất. Nắm bắt được điều này, chúng tôi đã cùng nhau thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí”. 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 đẹp. Xe gắn máy hybrid điện-khí kết hợp công suất động cơ điện và động cơ chạy bằng khí sẽ là giải pháp hiệu quả để xử lý vấn đề năng lượng và phát thải ô nhiễm của phương tiện giao thông cá nhân ở nước ta tương tự như việc sử dụng ô tô hybrid ở các nước phát triển. 1 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 2. Mục đích, ý nghĩa 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. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng vẫn đang làm đau đầu đối với các cơ quan quản lý Nhà nước. 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 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, tôi đã tập trung nghiên cứu và phát triển mô hình xe gắn máy sử dụng động cơ hybrid LPG – Điện với mong muốn rằng sự kết hợp này sẽ tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm môi trường bền vững, lâu dài. 3. Phạm vi giới hạn nghiên cứu 3.1. Quan điểm nghiên cứu Quan điểm của nghiên cứu này là tạo ra sản phẩm mới than thiện với môi trường trên cơ sỡ cải tạo, lắp ráp những sản phẩm, cụm chi tiết, các bộ phận có sẵn, trên thị trường để giảm giá thành chế tạo. trên thực tế xe gắn máy xe máy điện, các cụm bộ phận, chi tiết của chúng đã được sản xuất hang loạt và thương mại hóa rộng rãi trên thị trường với giá thành ngày càng giảm. Vì thế trong nghiên cứu này chúng tôi hạn chế tối đa việc chế tạo chi tiết mới, thay vào đó, thay vào đó là tận dụng những cụm chi tiết có sẵn, cải tạo chũng để lắp ráp thành xe gắn máy hybrid đạt được những tính năng mong đợi. 2 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 3.2. Giới hạn nghiên cứu a. Phạm vi nghiên cứu của đề tài này giới hạn các nghiệm vụ chính + Thiết kế lắp đặt bộ phụ kiện GATEC 27 sử dụng nhiên liệu Biogas để thay thế cho nhiên liệu xăng truyền thống. + Lắp đặt động cơ điện lên xe gắn máy hybrid LPG – Điện b. Nghiên cứu lý thuyết + Tìm các tài liệu trên internet, sách tham khảo về xe gắn máy hybrid LPG – Điện. + Làm đề cương, thuyết minh, bản vẽ. c. Nghiên cứu thực nghiệm + Chế tạo mô hình xe gắn máy hybrid LPG – Điện + Lắp đặt bộ phụ kiện GATEC 27, và hệ thống điện trên xe + Vận hành, chạy thử và thống kê các thông số 3 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Vấn đề về môi trường 1.1.1. Vấn đề môi trường toàn cầu Trong những năm gần đây, chúng ta thường nghe những tin tức mới như băng hà đang lùi dần, băng vĩnh cửu đang tan, hay diện tích băng ở Bắc Băng Dương đang thu hẹp lại, mức nước biển đang dâng cao, triều cường ở Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng nhiều và ngập sâu hơn, giữa tháng 3 năm nay (2011), ở Sa Pa tuyết rơi và Hà Nội lạnh dưới 10oC. Tất cả những tin tức đó nói lên Trái đất của chúng ta đang có những thay đổi bất thường, mà từ trước đến nay chưa từng thấy. Hơn nữa, trong khoảng chục năm gần đây, nhiều thiên tai xảy ra một cách bất thường, như hạn hán, lũ lụt, bão tố, thời tiết nóng hay lạnh bất thường tại nhiều vùng trên thế giới, gây thiệt hại rất nặng nề, nhất là những nước nghèo thuộc vùng nhiết đới. Chúng ta cũng tự hỏi có điều gì đó bất trắc đã xảy ra trên Trái đất, ngôi nhà chung của chúng ta. Hiện nay, chúng ta đang sống trong một thế giới có nhiều biến đổi lớn về môi trường: khí hậu biến đổi, nhiệt độ quả đất đang nóng lên, mực nước biển đang dâng lên, sự xâm nhập của các loài ngoại lai ngày càng nhiều, các hệ sinh thái như rừng, đất ngập nước... đang bị co hẹp lại và phân cách nhau, tốc độ mất mát các loài ngày càng gia tăng, ô nhiễm môi trường ngày càng nặng nề, dân số tăng nhanh, sức ép của công nghiệp hóa và thương mại toàn cầu ngày càng lớn (Jennifer, 2010). Loài người đang phải đối mặt với thảm họa cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, môi trường sống bị ô nhiễm, nhiều bệnh tật mới xuất hiện và phát triển, thiên tai ngày càng nặng nề. Tất cả những thảm họa đó và cả những hiện tượng bất thường về thời tiết trong những năm qua tại nhiều vùng trên thế giới đã gây tác hại vô cùng nghiêm trọng có nguyên nhân chính là do các hoạt động của con người. Có thể nói là sự phát triển kinh tế với sự tiêu thụ nhiều nhiên liệu hóa thạch đã làm tăng lượng khí nhà kính trong khí quyển, do đó làm nhiệt độ mặt đất đã và đang tăng lên, gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Sự nóng lên toàn cầu này có thể nói là đã gây ra những thay đổi bất thường về khí hậu và cũng là nguyên nhân của các thiên tai bất 4 thường trên thế giới, đồng thời cũng vì thế mà 4 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí nguồn lương thực và nguồn nước đang bị giảm sút và hậu quả là sự gia tăng số người phải từ bỏ quê hương tìm nơi khác để kiếm sống trên toàn thế giới. Hình 1.1. Ô nhiễm môi trường từ quá trình công nghiệp hóa. Một mặt khác, dân số thế giới cũng đang gia tăng một cách nhanh chóng và để nuôi sống số dân tăng lên, cần thêm nhiều lương thực, vì thế mà phải có thêm đất để trồng trọt và chăn nuôi. Nguồn nước cần thiết cho nông nghiệp cũng phải gia tăng, đang làm cho sông ngòi, hồ ao bị cạn kiệt và nguồn nước ngầm cũng giảm sút dần. Hơn thế nữa, để phát triển nông nghiệp, diện tích rừng nhiệt đới lại bị thu hẹp lại. Mất rừng nhiệt đới làm cho “lá phổi” của Trái đất hay “cái nôi của sự sống” không những bị tàn phá tại nhiều vùng, mà còn làm ảnh hưởng đến chế độ khí hậu toàn cầu. Sự khủng hoảng về môi trường toàn cầu hiện nay có thể nói là đã bị che lấp hay bị ngụy trang bằng những phúc lợi trước mắt có được từ sự phát triển kinh tế. Có lẽ đa số chúng ta quanh năm đang phải lo nghĩ đến cuộc sống hàng ngày mà ít chú ý đến những gì đang xẩy ra về vấn đề môi trường. Thực ra, chúng ta đang dồn Trái đất, ngôi nhà chung của chúng ta, đến những giới hạn chịu đựng cuối cùng của nó, đồng thời, đang đưa chúng ta đến tương lai không sáng sủa. Để cứu lấy Trái đất, cứu lấy bản thân chúng ta, chúng ta phải xem xét lại một cách nghiêm túc cách thức mà chúng ta đã phát triển trong thời gian qua, rút những kinh nghiệm thất bại và thành công để xây dựng một cuộc sống tốt đẹp hơn và bền vững cho bản thân chúng ta và cho các thế hệ mai sau. 5 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Hình 1.2. Diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp. 1.1.2. Thách thức đối với ngành công nghiệp ô tô Chất lượng không khí hiện nay trên thế giới bị ô nhiễm đến mức báo động, mà trong đó khí thải của động cơ đốt trong chính là các tác nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm không khí. Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có hiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh được hay gây ra sự khó chịu đối với con người. 1.2. Tác hại của khí xả động cơ ô tô, xe máy 1.2.1. Khí thải ô tô Khí thải ô tô là khái niệm nói chung về các khí thoát ra từ chiếc xe ô tô như khí lọt, khí nhiên liệu bay hơi và khí xả. Vậy chúng là những chất hóa học gì? Khí thải ô tô chứa những chất độc như CO, NOx, HC, không những có hại cho môi trường mà còn có hại đến sức khỏe con người. Ngoài những chất khí độc này, thì đối với động cơ diesel còn có những hạt cacbon siêu mịn, có thể thẩm thấu sâu vào trong phổi nếu như chúng ta hít vào. - Khí thải ô tô là khái niệm nói về các khí thoát ra từ ô tô như khí lọt, nhiên liệu bay hơi và khí xả. 6 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 1.2.2. Khí CO - Trong quá trình đốt cháy do oxi không đủ sẽ tạo ra muội than-một dạng cacbon vô định, chính cacbon này tác dụng với O2 thiếu tạo ra CO: 2C + O2 → 2CO - Khi một người hít phải khí CO vào phổi, khí CO sẽ vào máu kết hợp với sắc tố hồng cầu (hemoglobin), tạo ra chất carboxyhemoglobin (HbCO), đẩy dưỡng khí là khí oxi ra khỏi hồng cầu. Do khí CO có ái lực mạnh gấp 200 lần so với O2 trong sắc tố hồng cầu, nên khí O2 bị loại hết ra ngoài, dẫn tới cơ thể bị thiếu O2 gây chết ngạt rất nhanh. 1.2.3. Khí HC HC được sinh ra trong quá trình đốt cháy không hoàn toàn, cũng như CO. Ngoài ra HC còn sinh ra trong các trường hợp sau: Khi nhiệt độ ở khu vực dập lửa thấp, chưa đạt tới nhiệt độ bốc cháy. Khí nạp thổi qua trong thời gian lặp của xupap. Hỗn hợp không khí-nhiên liệu càng giàu, càng sinh ra nhiều HC. Hỗn hợp càng nghèo, càng ít sinh ra HC. Lượng HC sinh ra càng trở nên lớn hơn khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu quá nghèo, vì nó không cháy được. Các loại động cơ xăng dầu sẽ sản sinh ra lượng khí hydrocarbons lớn hơn so với các loại động cơ diesel tương đương. Theo các nghiên cứu y khoa, trong HC có chứa benzen, benzen được phát hiện gây cản trở quá trình sản xuất máu và gây ra bệnh thiếu máu. Ngoài ra, benzen còn được coi là một trong những nguyên nhân gây ung thư và còn có thể gây ra bệnh bạch cầu. Một số loại khí trong hỗn hợp hydrocarbons còn có thể kết hợp với khí NOx để tạo ra khí ozone, gây ra các bệnh về đường hô hấp, phổi 1.2.4. Khí NOx NOx được sinh ra do nitơ và oxi trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu, khi nhiệt độ của buồng đốt tăng cao trên 1800oC. Nhiệt độ của buồng đốt càng cao, lượng NOx sản ra càng nhiều. Khi hỗn hợp không khí-nhiên liệu nghèo, NOx sinh ra nhiều hơn vì tỷ lệ oxi trong hỗn hợp không khí-nhiên liệu cao hơn. Như vậy, lượng NOx được sinh ra tuỳ theo hai yếu tố: Nhiệt độ cháy và hàm lượng O2. N2 + O2 → Nox (NO2, N2, N2O,) 7 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Hỗn hợp khí NOx có tác hại xấu đến sức khỏe con người, đặc biệt là những người có tiền sử về bệnh hô hấp. Ngoài ra, hỗn hợp khí NOx cũng kết hợp với một số chất khác trong không khí tạo ra khí ozone và các loại tạp chất dạng hạt. Khí NOx cũng được biết đến với nguyên nhân gây ra mưa axit gây hại cho cây cối và đất đai. 1.3. Xu hướng phát triển của ô tô – xe máy hybrid trong tương lai Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về khí thải, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến cũng như chế tạo ra loại ôtô mà mức ô nhiễm là thấp nhất và giảm tối thiểu sự tiêu hao nhiên liệu. Điều đó càng cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể. Các xe chạy bằng Diesel, xăng hoặc các nhiên liệu khác đều đang tràn ngập trên thị trường gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi. Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và mọi người nói chung. Ô tô sạch không gây ô nhiễm (zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ôtô ngày nay. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, như: hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ôtô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pile nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ôtô lai (hybrid)... Phạm vi bài viết này chỉ bàn về ôtô hybrid. Xuất hiện từ đầu những năm 1990 và cho đến nay, ôtô hybrid đã luôn được nghiên cứu và phát triển như là một giải pháp hiệu quả về tính kinh tế và môi trường. Có thể nói, công nghệ hybrid là chìa khoá mở cánh cửa tiến vào kỷ nguyên mới của những chiếc ô tô, đó là ô tô không gây ô nhiễm môi trường hay còn gọi là ô tô sinh thái. Với các ưu điểm nổi bật như đã nêu, ôtô hybrid đang được sự quan tâm nghiên cứu và chế tạo của rất nhiều nhà khoa học và hãng sản xuất ôtô trên thế giới. Ngày càng có nhiều mẫu ôtô hybrid xuất hiện trên thị trường và càng có nhiều người tiêu dùng sử dụng loại ô tô này. Ôtô sử dụng Hydrogen, ôtô điện, ôtô pin mặt trời... cho đến nay đều tồn tại một số nhược điểm nhất định, không dễ thực hiện với thực trạng như đất nước ta. Trong bối cảnh đó thì ôtô hybrid nhiệt điện (kết hợp giữa động cơ đốt trong và động cơ điện) được coi là 8 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí phù hợp nhất trong giai đoạn đón đầu về xu thế phát triển ôtô sạch, nhằm đáp ứng tính khắt khe môi trường đô thị, tính nguy cơ cạn kiệt nhiên liệu. Hình 1.3. Toyota Prius Plug-In Hybrid (Trái) và xe tay ga Honda PCX Hybrid (Phải). Tuy nhiê...iến Hall dặt ẩn bên trong stato,ở phần đuôi trục (trục phụ) của động cơ. Mỗi khi các cực nam châm của rotor đi qua khu vực gần các cảm biến Hall,các cảm biến sẽ gửi ra tín hiệu cao hoặc thấp ứng với khi cực Bắc hoặc cực Nam đi qua cảm biến. Dựa vào tổ hợp của các tín hiệu từ 3 cảm biến Hall, thứ tự chuyển mạch chính xác được xác định. Tín hiệu mà các cảm biến Hall nhận được sẽ dựa trên hiệu ứng Hall. Đó là khi có một dòng điện chạy trong một vật dẫn được đặt trong một từ trường, từ trường sẽ tạo ra một lực nằm ngang lên các điện tích di chuyển trong vật dẫn theo hướng đẩy chúng về một phía của vật dẫn. Số lượng các điện tích bị đẩy về một phía sẽ cân bằng với mức độ ảnh hưởng của từ trường. Điều này dẫn đến xuất hiện một hiệu điện thế giữa 2 mặt của vật dẫn. Sự xuất hiện của hiệu điện thế có khả năng đo được này được gọi là hiệu ứng Hall, lấy tên người tìm ra nó vào năm 1879. d. Bộ phận chuyển mạch điện tử (electronic commutator) Hình 2.16. Sơ đồ cấp điện cho các cuộc dây stato 31 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Ở động cơ một chiều không chổi than vì dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận đổi chiều dễ dàng được thay thế bởi bộ đổi chiều điện tử sử dụng transitor công suất chuyển mạch theo vị trí roto. Do trong cấu trúc của động cơ một chiều không chổi than cần có cảm biến vị trí rotor. Khi đó bộ đổi chiều điện tử có thể đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây quấn phần ứng khi rotor quay giống như vành góp và chổi than của động cơ một chiều thông thường. Nguyên lý hoạt động của động cơ BLDC Để động cơ BLDC hoạt động thì cần biết được vị trí chính xác của roto để điều khiển quá trình đóng ngắt các khóa bán dẫn, cấp nguồn cho các cuộn dây stato theo trình tự hợp lí. Mỗi trạng thái chuyển mạch có một trong các cuộn dây (như pha A) được cấp điện dương (dòng đi vào trong cuộn dây pha A), cuộn dây thứ 2 (pha B) được cấp điện âm (dòng từ cuộn dây đi ra pha B) và cuộn thứ 3 (pha C) không cấp điện. Momen được sinh ra do tương tác giữa từ trường tạo ra bởi những cuộn dây của stato với nam châm vĩnh cửu. Một cách lí tưởng, mô men lớn nhất xảy ra khi 2 từ trường lệch nhau 90° và giảm xuống khi chúng di chuyển. Để giữ động cơ quay, từ trường tạo ra bởi những cuộn dây stato phải quay đồng bộ với từ trường của rotor một góc α. 2.5.2.2. Thiết kế bộ sạc điện từ năng lượng khi phanh hoặc khi xe xuống dốc Qua nguyên lý và cấu tạo của động cơ BLDC ta nhận thấy khi động cơ không làm việc và được tác động lực để quay thì nó hoạt động như một máy phát điện xoay chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Và thực tế nhóm thử nghiệm đã chứng minh được khi quay bánh trước thì động cơ điện phát ra dòng điện biến đổi theo tốc độ vòng quay. Tuy nhiên dòng điện phát ra là dòng điện xoay chiều 3 pha và biến đổi theo tốc độ vòng quay. Để sạc được vào ắc quy 48V thì ta cần dòng điện 1 chiều và ổn định với điện áp ổn định 55(V). Vì thế, chúng tôi đã thiết kế cầu chỉnh lưu 3 pha để biến đổi thành dòng 1 chiều và 1 bộ tăng áp và ổn định điện áp đầu ra luôn luôn là 55(V) để có thể nạp được. Qua quá trình nghiên cứu và tìm hiểu trên thị trường có bán bản mạch tăng áp, ổn định điện áp và cường độ dòng điện đầu ra. Với điện áp đầu vào biến thiên thay đổi từ 6-60(V) được tăng lên 8-83(V) và có thể điều chỉnh ổn định cả về điện áp và dòng điện hình 2.17. Ta thiết kế được sơ đồ mạch điện nạp điện như sau: 32 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Trong trường hợp động cơ nhiệt hoạt động hay khi xe xuống dốc động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát điện, thông qua mạch điện này để nạp điện cho ắc quy. Hình 2.17. Cầu chỉnh lưu 3 pha, bộ tăng áp và ổn định điện áp DC-DC Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: Khi ta bật chìa khóa sẽ có 3 chế độ hoạt động: - Chế độ chạy bằng điện: Dây chìa khóa của xe điện nối với dương ắc quy, bật chế độ chạy xe điện. Dòng điện từ ắc quy qua bộ điều tốc, bộ điều tốc nhận tín hiệu từ tay ga và tín hiệu từ các cảm biến vị trí roto cung cấp dòng cho các cuộn dây đặt trên stato theo dúng thứ tự và làm cho roto quay. Toàn bộ công suất động cơ điện được sử dụng để tạo sức kéo cho xe. - Chế độ chạy bằng động cơ nhiệt LPG: Động cơ điện bị ngắt, chuyển sang chế độ máy, được kéo theo bởi động cơ nhiệt sinh ra dòng điện ba pha ở đầu ra, sau đó qua cầu chỉnh lưu ba pha và được nén thành dòng điện một chiều, dòng điện một chiều đầu ra có điện áp không ổn định khi tốc độ máy phát không ổn định, nên chúng ta sử dụng một mạch tăng áp DC/DC (bộ tăng áp có thể điều chỉnh điện áp đầu ra luôn ổn định và dòng điện sạc ổn định) để sạc cho ắc quy. Xe chạy bằng động cơ nhiệt, toàn bộ công suất động cơ nhiệt được sử dụng để tạo sức kéo cho xe. - Chế độ chạy song song động cơ nhiệt và động cơ điện: Động cơ điện khi đó đang hoạt động nên ắc quy không được sạc. Mà chỉ khi xe chạy xuống dốc hoặc khi phanh thì ắc quy mới được sạc lại. Khi xe xuống dốc, thì năng lượng nạp vào ắc quy sẽ cung cấp lực phanh nhất định cho xe. Như vậy hệ thống này cho phép tận dụng được năng lượng phanh để biến thành năng lượng có ích, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng của xe gắn máy. 33 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Hình 2.18. Sơ đồ hệ thống tự nạp điện của xe gắn máy hybrid Hình 2.18 giới thiệu sơ đồ mạch điện nạp điện cho accu khi bánh trước chuyển động theo. Trong trường hợp này động cơ điện chuyển sang chế độ máy phát điện, thông qua mạch điện này để nạp điện cho accu. Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: - Khi xe chạy bằng điện thì khóa K1 đóng, khóa K2 mở - Khi khóa K2 mở, K1 mở, điện sinh ra từ máy phát không được nạp vào accu, toàn bộ công suất động cơ nhiệt được sử dụng để tạo sức kéo cho xe. - Khi khóa K2 đóng, K1 mở dòng điện từ máy phát qua hệ thống diod D và bộ ổn áp S nạp điện vào accu. Hệ thống diod D ngăn dòng điện từ accu qua động cơ điện nhưng cho dòng điện từ máy phát điện vào accu. Bộ ổn áp S giữ cho điện áp đầu ra của máy phát điện ổn định ở 48V khi tốc độ bánh trước thay đổi - Khi xe xuống dốc, khóa K1 mở. Nếu K2 đóng thì năng lượng nạp vào accu sẽ cung cấp lực phanh nhất định cho xe. Tất nhiên việc đạp phanh cơ khí vẫn cần thiết khi lực phanh điện không đủ để đảm bảo tốc độ xuống dốc mong muốn. Như vậy hệ thống này cho phép tận dụng được năng lượng phanh để biến thành năng lượng có ích, giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng của xe gắn máy. 34 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CUNG CẤP LPG 3.1. Giới thiệu nhiên liệu LPG 3.1.1. Nguồn gốc, phân loại LPG LPG (Liquefied Petroleum Gas) là khí dầu mỏ hóa lỏng hay khí hóa lỏng có thành phần chính là Propane và Butane. Chủ yếu LPG được phân loại theo chỉ tiêu sự khác nhau về độ tinh khiết (hàm lượng propan và butan) hoặc tỉ lệ thành phần của propan : butan. LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu. Nguyên liệu ban đầu dùng để sản xuất LPG là dòng khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ dầu hoặc qua quá trình xử lý dầu thô để thu được LPG. Về cơ bản, quy trình sản xuất LPG gồm các bước sau: • Làm sạch khí: Loại bỏ các tạp chất bằng phương pháp lắng, lọc... Sau khi loại bỏ các tạp chất, khí nguyên liệu còn lại chủ yếu là các hydrocarbon như etan, propan, butan • Tách khí: Hỗn hợp khí nguyên liệu cần được tách riêng từng khí để sử dụng và pha trộn cho từng mục đích sử dụng khác nhau. Có thể dùng các phương pháp tách khí như phương pháp nén, hấp thụ, làm lạnh từng bậc, làm lạnh bằng giãn nở khí Qua hệ thống các dây chuyền tách khí có thể thu được propan và butan tương đối tinh khiết với nồng độ từ 96-98%. • Pha trộn: Các khí thu được riêng biệt lại được pha trộn theo các tỷ lệ thể tích khác nhau tùy theo yêu cầu. Hiện nay trên thị trường Việt Nam có khá nhiều loại LPG khác nhau do các hãng cung cấp với các tỷ lệ propan: butan là 30:70, 40:60, 50:50 Đối với LPG có tỷ lệ là 30:70, 40:60 thường được sử dụng trong sinh hoạt. Còn tỷ lệ pha trộn 50:50 thường được sử dụng làm nguyên liệu trong các ngành công nghiệp như nấu thủy tinh, sản xuất ắc quy, cơ khí đóng tàu... Khi chuyển từ thể lỏng sang thể khí, LPG có tỷ lệ giãn nở rất lớn. 1 lít LPG lỏng sẽ tạo ra khoảng 250 lít khí. 35 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Do vậy trong các bồn chứa LPG không bao giờ được nạp đầy, chúng được quy định chỉ chứa từ 80% - 85% dung tích. Sản xuất LPG không khó nhưng có lẽ vấn đề tồn trữ LPG luôn là một trở ngại vì chi phí xây dựng các bồn chứa LPG khá cao. Để có được một kho chứa LPG 1.000 tấn theo đúng tiêu chuẩn, cần khoảng 60 tỷ đồng. Vì là bồn chứa chịu áp lực cao nên phải tuân thủ các quy định trong tiêu chuẩn TCVN 6486-1999 hay TCVN 7441-2004. Kho LPG của PVGas Việt Nam hiện có sức chứa lớn nhất nước nhưng cũng chứa được tối đa 7.000 tấn. Với số lượng này, chỉ hai tàu bơm trong vài ngày là hết. Do không có kho chứa đủ lớn nên các doanh nghiệp thường không dám ký hợp đồng nhập khẩu dài hạn với số lượng lớn; hoặc ký hợp đồng nhưng không thể cùng lúc chuyển về với khối lượng lớn. Vì vậy các doanh nghiệp thường bị động trong việc bình ổn thị trường, và đó cũng là lý do khiến thị trường LPG trong nước thường có nhiều biến động về giá so với thế giới. Thành phần của LPG chủ yếu là propan và butan ngoài ra có một số chất khác nữa nhưng rất ít do tinh chế chưa sạch hoặc là do cho thêm vào để cải thiện tính chất nào đó của LPG hoặc với mục đích nào đó (chất tạo mùi). Thành phần của LPG thì có thể biến động theo từng cơ sở sản xuất và do ứng dụng của nó. Nhưng thông thường thì tỉ lệ propan: butan = 50 : 50 nhưng đôi khi là 30:70, 40:60 tùy thuộc cơ sở và mục đích sử dụng. 3.1.2. Một số đặc tính của LPG Tính chất của LPG phụ thuộc vào thành phần của nó: - Không màu, không mùi, không độc hại (nhưng được pha thêm chất Etylmecaptan có - Mùi đặc trưng để dễ phát hiện khi có rò xì gas). - Nhiệt độ sôi của gas thấp (từ - 45 đến - 2oC) nên để gas lỏng tiếp xúc trực tiếp với da sẽ bị phỏng lạnh. - Trong điều kiện nhiệt độ môi trường gas bốc hơi rất mãnh liệt, khi gas chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi thì thể tích tăng đến 250 lần. 36 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí - Áp suất của gas phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, khi nhiệt độ tăng thì áp suất gas sẽ tăng và ngược lại. Trong điều kiện nhiệt độ khu vực phía nam thì áp suất gas dao động - trong khoảng từ 4 - 7 kg/cm2. - Tỉ trọng của gas lỏng nhẹ hơn nước, khối lượng riêng trong khoảng DL = 0.51 - 0.575 Kg/Lít. - Tỉ trọng gas hơi nặng hơn không khí DH = 1.51 - 2 lần, nên gas bị rò xì sẽ tích nơi trũng, thấp hơn mặt bằng xung quanh (cống, rãnh). 3.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu LPG cho xe gắn máy Việc nghiên cứu sử dụng LPG trên phương tiện giao thông vận tải mới được tiến hành trong những thập niên gần đây. Một số nước đã áp dụng chính sách thuế đặc biệt nhằm khuyến khích người dân sử dụng khí LPG chẳng hạn như Hà Lan, Ý, Hàn Quốc. Trong giao thông vận tải sử dụng LPG thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như xăng, dầu; và “xanh hóa” nhiên liệu. Tuy nhiên đến thời điểm hiện nay việc sử dụng LPG trong giao thông vận tải còn khá khiêm tốn. Đi ngoài đường thỉnh thoảng chúng ta bắt gặp những chiếc taxi “xanh” với nhiên liệu LPG của hãng Petrolimex. Kết quả thử nghiệm sử dụng bộ chuyển đổi LPG cho xe taxi sẽ tiết kiệm được khoảng 25-29% chi phí so với chạy xăng. Việt Nam cũng bắt đầu ứng dụng LPG làm nhiên liệu thay xăng cho xe gắn máy. Sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG cho xe gắn máy sẽ góp phần làm đa dạng hóa nguồn năng lượng sử dụng cho giao thông vận tải, giảm bớt sự lệ thuộc vào xăng dầu đồng thời làm giảm mức độ phát thải ô nhiễm môi trường không khí. Ở Việt Nam cùng với sự phát triển của quá trình đô thị hóa thì vấn đề ứng dụng nhiên liệu sạch cũng đang được các nhà quản lý xem xét đưa vào ứng dụng. Một số đề án sử dụng LPG đã được triển khai như: - Năm 2003- 2006 Công ty Cơ khí Ngô Gia Tự (Tổng Công ty công nghiệp ô tô Việt Nam) đã đầu tư thí điểm dự án chuyển đổi xe xăng sang LPG. Đến năm 2006 Công ty cơ khí Ngô Gia Tự đã làm chủ được công nghệ chuyển đổi, lắp đặt 1 trạm LPG ở Hà Nội và tổ chức vận hành 30 xe taxi chạy nhiên liệu LPG tại Hà Nội. 37 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí - Từ 2006, thành phố Đà Nẵng đã bắt đầu cho sử dụng các xe chạy LPG phục vụ công - tác thu gom rác thải sinh hoạt tại công ty môi trường đô thị. 3.1.4. Lưu trữ khí dầu mỏ hóa lỏng LPG Bình chứa LPG được làm bằng inox hoặc thép có cường độ cao, các đáy bình được ép bằng máy ép 50 tấn sau đó được hàn bằng máy hàn CO2 có bảo vệ. Đồ gá hàn tự động giúp cho mối hàn đều đảm bảo chất lượng. Sau khi gia công xong, bình ga được đưa đi kiểm tra với áp suất 50 bar. Dựa trên những yêu cầu thiết kế và những ưu nhược điểm của từng phướng án trên chúng tôi chọn phương án sử dụng bình chứa tự thiết kế hình 3.1. Hình 3.1. Bình chứa LPG được chế tạo Ưu điểm: Vì bình chứa là chế tạo nên sẽ phù hợp với nhiều loại xe, chứa được nhiều thể tích khí hơn nên quãng đường di chuyển được nhiều hơn. Nhược điểm: Khối lượng lớn làm tăng tải trọng của xe, tốn thời gian gia công, chi phí chế tạo lớn. 38 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 3.2. Lựa chọn phương án cấp LPG cho xe gắn máy Có nhiều phương án cung cấp LPG khác nhau cho động cơ, dùng hệ thống phun điều khiển điện tử, dùng hệ thống cung cấp qua họng hút. Trong đề tài này chúng tôi lựa chọn phương án dùng họng hút đơn giản hơn. Do lượng LPG cần cung cấp cho động cơ không lớn do vậy không cần thiết phải có bộ hóa hơi trong hệ thống, LPG được lấy ra khỏi bình sẽ ở dạng hơi. 3.2.1. Tính toán lượng nhiên liệu LPG cung cấp - Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu: khi đốt cháy 1kg nhiên liệu, các thành phần của C, H2 sẽ chuyển đổi thành CO2 và H2O theo các phương trình phản ứng sau: C + O2 = CO2 +406976kJ 1 H2 + O2 = H2O + 28700kJ 2 Giả sử 1kg nhiên liệu lỏng gồm có: c kg C, h kg H2 và Onl kg O2, ta có thể viết: 12kg C +32kg O2 = 44kg CO2 2kg H2 + 16kg O2 = 18kg H2O Từ đó ta có: 8 1 ckgC + ckgO2 = ckgCO2 3 3 hkgH2 + 8hkgO2 = 9hkgH2O Nếu gọi O’o (kg/kg nhiên liệu) là lượng O2 lý thuyết cần thiết đốt cháy 1kg nhiên liệu, ta có: O’o = c +8h - Onl (kg/kg nhiên liệu) - Lượng O2 dùng để đốt nhiên liệu trong buồng cháy động cơ là lượng O2 trong không khí. Không khí gồm hai thành phần chính là: O2 và N2. Tính theo thành phần khối lượng không khí khô: O2 chiếm 0,232 (23,2%), còn N2 chiếm ≈ 76,8%. Do đó, lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu là L0 (kg không khí/kg nhiên liệu) sẽ là: O'o 18 L0 = c 8 h  Onl (kg/kg nhiên liệu) (4-1) 0.232 0.232 3 39 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí - Nhiên liệu LPG gồm có 50% Propane (C3H8) và 50% Butane (C4H10) nên thành phần khối lượng của C và H là: 0,823 C và 0,177 H, không có thành phần Oxy trong nhiên liệu nên Onl = 0 Thay vào công thức (4-1) ta được: 18 Lxx0  0.82380.177015.56 (kg/kg nhiên liệu). 0.2323 Nếu lượng không khí thực tế đưa vào động cơ để đốt 1kg nhiên liệu là L (kg không khí/kg nhiên liệu) và gọi λ là hệ số dư lượng không khí, thì: L   (4-2) L0 Gọi maLPG là khối lượng không khí nạp vào trong xylanh dùng để đốt cháy LPG, mLPG là khối lượng nhiên liệu LPG cung cấp vào xylanh. Khi đó, để phản ứng đốt cháy nhiên liệu xảy ra hoàn toàn theo lý thuyết thì: m m  aLPG (kg/kg nhiên liệu) LPG 15.56 3.2.2. Nguyên lý phun LPG cho xe gắn máy Hình 3.2. Nguyên lý phun LPG xe cho cho gắn máy 40 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Van chỉ mở khi lực hút chân không tác động lên màng cao su lớn hơn lực căng lò xo. Do độ chân không tại S1 thay đổi theo góc quay trục khuỷu nên ta có thể điều chỉnh sức căng lò xo để van bắt dầu mở với độ chân không cho trước và đóng khi độ chân không trong họng nhỏ hơn giá trị này. Hình 3.2 cho thấy khi tốc độ động cơ càng cao thì góc phun (thời gian phun tính theo góc quay trục khuỷu) càng lớn. Nhờ vậy hệ số tương đương của hỗn hợp có thể được tự động điều chỉnh theo tốc độ động cơ. 3.2.3. Sơ đồ tổng quát bố trí hệ thống cung cấp LPG Sơ đồ tổng quát bố trí hệ thống cung cấp LPG 3 2 1 4 7 6 8 5 12 11 10 9 13 Hình 3.3. Sơ đồ cung cấp LPG 1- Bình chứa, 2- Khoá ga, 3- Van điều áp, 4- Van điện từ, 5- Van cấp LPG, 6- Đầu ra van cấp LPG, 7- Vít điều chỉnh công suất; 8- Vòi phun LPG, 9- Vòi phun không tải, 10- lỗ hút chân không; 11- Van hút chân không, 12-Bộ phụ kiện GATEC 27, 13-Vít điểu chỉnh không tải LPG ở thể khí được cung cấp đến họng qua hai đường đường không tải 12 và đường cung cấp chính 11. Đối với mạch nhiên liệu chính được cấp qua vòi phun 6 đặt tại họng venturi, van chân không 9 cho phép điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo độ chân không trên đường nạp., ngoài ra trong hệ thống còn có van điều chỉnh công suất tối đa và tốc độ không tải. 41 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 3.3. Sử dụng bộ phụ kiện GATEC 27 trên xe Cub 50 3.3.1. Giới thiệu bộ phụ kiện GATEC 27 Ứng dụng nhiên liệu thay thế và nhiên liệu tái tạo trên xe gắn máy là giải pháp hữu hiệu góp phần đa dạng hóa nguồn năng lượng, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường ở nước ta. Trước khi phát triển cơ sở hạ tầng cung cấp nhiên liệu thay thế xăng dầu thì việc hoàn thiện công nghệ ứng dụng nhiên liệu đó trên xe gắn máy cần phải được nghiên cứu tường tận. Nhóm nghiên cứu động cơ nhiên liệu khí GATEC thuộc trường Đại học Bách khoa- Đại học Đà Nẵng đã nghiên cứu vấn đề này từ hơn 20 năm qua. Qua trải nghiệm trong thực tiễn, bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu khí cho xe gắn máy đã không ngừng được hoàn thiện. Qua rất nhiều phiên bản, đến nay bộ phụ kiện GATEC 27 đã xử lý được các vướng mắc về mặt kỹ thuật để có thể áp dụng trong thực tiễn. Nhiên liệu khí có thể là nhiên liệu hóa thạch (như khí dầu mỏ hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên CNG) hoặc nhiên liệu tái tạo (như biogas, hydrogen) hoặc các nhiên liệu khí thu hồi từ phân hủy nhiệt rác thải nhựa, khí thu hồi từ khí hóa nhiên liệu rắn Bất kỳ nhiên liệu khí nào đã được nén và lưu trữ trong bình chứa đều có thể sử dụng trên xe gắn máy nhờ bộ phụ kiện GATEC 27. GATEC 27 là bộ phụ kiện tích hợp, đảm bảo duy trì thành phần hỗn hợp tối ưu ở mọi chế độ công tác của động cơ từ chạy không tải đến tăng tải đột ngột. Nguyên lý hoạt động của bộ phụ kiện được xác lập dựa trên những nghiên cứu cơ bản, mô hình hóa và trải nghiệm trong thực tiễn. GATEC đã nghiên cứu hoàn thiện cả về nguyên lý lẫn thiết kế bộ phụ kiện GATEC 27 để hạn chế tối đa việc cải tạo hệ thống nhiên liệu xăng nguyên thủy của xe. Ngoài việc lắp bổ sung thêm vòi phun nhiên liệu khí, không còn cải tạo nào khác trên động cơ. Vì thế xe gắn máy có thể sử dụng xăng lại bất cứ khi nào cần thiết. Bộ phụ kiện GATEC 27 gọn gàng, thuận tiện cho việc lắp đặt trên tất cả các loại xe gắn gắn máy: Xe gắn máy chân số hay tay ga, xe gắn máy phun xăng điện tử hay hút khí qua họng khuếch tán truyền thống. 42 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Người sử dụng có thể điều chỉnh công suất cực đại của động cơ để đảm bảo cho xe hoạt động tiết kiệm nhất trong các điều kiện vận hành khác nhau (xe chạy trong thành phố, xe chạy trên đường trường, hỗ trợ công suất để leo dốc...). Trong khi chờ đợi việc sản xuất, cung ứng đại trà các loại nhiên liệu khí tái tạo thì việc sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG trên xe gắn máy với bộ phụ kiện này là hoàn toàn khả thi. Một số trạm cấp xăng dầu chỉ cần bổ sung thêm mô-đun cung cấp LPG như các nước phát triển đã làm là có thể triển khai được giải pháp. Hiệu quả sử dụng LPG trên xe gắn máy rất rõ rệt. Bình quân xe tiêu thụ khoảng 1kg LPG khi chạy quãng đường tương đương với 2 lít xăng trong tất cả các chế độ vận hành. Mức độ phát thải ô nhiễm giảm đến 80% so với khi chạy bằng xăng. 3.3.2. Cấu tạo bộ phụ kiện GATEC 27 Cấu tạo của bộ phụ kiện GATEC 27 gồm các phần chính: Các đầu nối khí gas, màng cao su tạo chân không, lò xo hồi chịu nén, cơ cấu đòn bẩy và piston tỉ lệ hình 3.4. Hình 3.4. Kết cấu bộ phụ kiện GATEC 27 1- Đầu ra van cấp LPG; 2- Nắp trên bộ hoà trộn; 3- Màng chân không; 4- Phần vỏ dưới; 5- Nắp dưới; 6- Ống chặn; 7- Van hút chân không; 8- Ống Làm kín, 9- Cơ cấu đòn bẩy; 10- dây kéo piston; 11- Piston; 12- Đầu vào van cấp LPG; 13- Lò xo. 43 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Nguyên lí hoạt động : - Ở chế độ không tải độ chân không thấp, lực tác dụng lên màng chân không 3 không đủ thắng lực lò xo, làm piston 11 tì lên van 12 ngắt đường cấp LPG đến vòi phun chính đặt tại họng venturi. - Ở chế độ tăng tốc áp suất chân không tác dụng lên màng 3 lớn, tác dụng lên cơ cấu đòn bẩy 9, thắng lực lò xo 13 kéo piston 11 xuống mở van 12 cho khí ga từ bình chứa đến vòi phun chính theo đúng tỉ lệ, phù hợp với mọi chế độ làm việc của động cơ. 3.3.3. Bố trí bộ phụ kiện GATEC 27 GATEC 27 là bộ phụ kiện thế hệ mới qua rất nhiều phiên bản, đến nay bộ phụ kiện đã xử lý được các vướng mắc về mặt kỹ thuật để có thể áp dụng trong thực tiễn, GATEC 27 có kích thước tổng quát là cao 15cm, chiều dài dài chiều rộng là 8,5cm, với kích thước nhỏ gọn như trên bộ phụ kiên được bố trí vào không gian trống giữa bê phải đầu động cơ và được gắn với khung xe hình 3.5. Hình 3.5. Bố trí bộ phụ kiện GATEC 27 Kết luận Động cơ nhiệt chạy bằng LPG với bộ phụ kiện được thiết kế phù hợp với điều kiện vận hành của xe ở chế độ tải lớn khi phối hợp công suất với động cơ điện trong đó phần 44 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí lớn thời gian hoạt động trên đường đặc tính tải nặng khi cần leo đèo dốc hoặc chạy trên đường trường cần tốc độ cao. GATEC 27 là bộ phụ kiện tích hợp, đảm bảo duy trì thành phần hỗn hợp tối ưu ở mọi chế độ công tác của động cơ từ chạy không tải đến tăng tải đột ngột. Nguyên lý hoạt động của bộ phụ kiện được xác lập dựa trên những nghiên cứu cơ bản, mô hình hóa và trải nghiệm trong thực tiễn. Bộ phụ kiện GATEC 27 đã được hoàn thiện để hạn chế tối đa việc cải tạo hệ thống nhiên liệu xăng nguyên thủy của xe. Ngoài việc lắp bổ sung thêm vòi phun nhiên liệu khí, không còn cải tạo nào khác trên động cơ. Vì thế xe gắn máy có thể sử dụng xăng lại bất cứ khi nào cần thiết. Trong khi chờ đợi việc sản xuất, cung ứng đại trà các loại nhiên liệu khí tái tạo thì việc sử dụng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG trên xe gắn máy với bộ phụ kiện này là hoàn toàn khả thi. Một số trạm cấp xăng dầu chỉ cần bổ sung thêm mô-đun cung cấp LPG như các nước phát triển đã làm là có thể triển khai được giải pháp. 45 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XE GẮN MÁY HYBRID LPG-ĐIỆN 4.1. Thiết kế bố trí các hệ thống bổ sung 4.1.1. Cải tạo phuộc để lắp trục bánh xe điện Cải tạo xe gắn máy và lắp đặt các động cơ được thực hiện theo nguyên tắc giảm tối đa sự thay đổi kết cấu, kiểu dáng của xe gắn máy chạy xăng nguyên thủy. Vì thế trong đề tài này chúng tôi chọn cách lắp đặt các động cơ như sau: Lắp đặt động cơ nhiệt: Động cơ nhiệt, hệ thống truyền động và hệ thống điều khiển động cơ nhiệt được giữ nguyên như xe gắn máy trước khi cải tạo. Công suất động cơ nhiệt được truyền qua bánh sau, thông qua cơ cấu ly hợp nồi. Điều này giúp đơn giản hóa tối đa công nghệ chuyển đổi cũng như giá thành của xe sau khi chuyển đổi thành xe hybrid. Lắp đặt động cơ điện: Động cơ điện dẫn động bánh xe trước của xe gắn máy hybrid. Cụm động cơ điện, bánh xe, cơ cấu giảm xóc, hệ thống phanh, hệ thống điều khiển và chắn bùn được lấy nguyên vẹn từ xe gắn máy điện. Hình 4.1 giới thiệu cụm động cơ điện. Hình 4.1. Động cơ điện có trục được nối cứng Cải tạo lại phuộc trước để lắp được bánh xe điện ta tiến hành xẻ rãnh có độ rộng bằng với đường kính lỗ lắp trục trên phuộc. Để có thể lắp trục bánh xe điện từ dưới lên. Để có thể lắp đặt cụm động cơ điện lên xe gắn máy, phuộc trước của xe được cải tạo, cắt bỏ cơ cấu lắp đặt bánh xe cũ và hàn vào cơ cấu lắp đặt cụm động cơ điện-bánh xe mới. 46 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí Do bánh xe mới có kích thước nhỏ hơn bánh xe cũ nên chiều dài phuộc trước được điều chỉnh để đảm bảo chiều cao của xe không thay đổi sau khi cải tạo. 31 3 4 6 4 5 6 1 77 1. Động cơ điện 2. Dây nguồn động cơ 2 3. Bu lông nối 4. Càng xe 5. Phuộc trước xe máy 6. Lốp xe R 23 R 47 60 Hình 4.2. Phuộc và bánh xe thiết kế cho xe gắn máy hybrid LPG- điện 4.1.2. Bố trí lắp đặt ắc quy cho động cơ điện Khi chọn phương án đặt một động cơ điện phía trước thì động cơ điện là loại có công suất lớn nên bộ ắc quy đi theo với động cơ điện cũng có dung lượng lớn. Động cơ điện sử dụng điện áp là 48 (V) nên có 4 bình ắc quy loại 12 (V). Mỗi bình ắc quy dài 180 (mmm), rộng 76 (mm), cao 167 (mm) và trọng lượng 4,35 (kg). Việc bố trí ắc quy cho động cơ điện dựa trên các tiêu chí sau: • Tận dụng được các khoảng không gian trống trải của xe để lắp đặt 47 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí • Không gây vướng víu cho người lái và người ngồi sau • Có tính thẩm mỹ cao • Khi đi dưới trời mưa hộp chứa ắc quy phải đảm bảo không đọng nước Hình 4.3. Vị trí lắp đặt Accu 4.1.3. Bố trí lắp đặt bình chứa LPG cho động cơ nhiệt Phương án chứa LPG trên xe gắn máy Hình 4.4. Bình gas được đặt trong thùng sau xe Việc bố trí bình LPG trên xe gắn máy vừa phải đảm bảo độ an toàn tuyệt đối cho người sử dụng vừa không làm thay đổi mẫu mã, kết cấu xe. Để đảm bảo được các yếu tố trên bình chứa LPG được đặt trong thùng đặt phía sau xe như trong hình 4.4. Hình 4.5 giới thiệu mô hình xe gắn máy Honda Cub 50cc trước và sau khi cải tạo. Sau khi thiết kế, bố trí thêm các chi tiết cho phù hợp với đề tài xe gắn máy hybrid điện- khí thì các chi tiết ban đầu của xe vẫn được giữ nguyên. 48 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí (a) (b) Hình 4.5. Bản vẽ xe gắn máy LPG-điện trước và sau khi cải tạo a. Xe gắn máy Honda Cub trước khi cải tạo b. Xe gắn máy Hybrid LPG-điện Hình 4.6. Mô hình xe thực tế sau khi cải tạo 49 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 4.2. Thử nghiệm trên đường thực Tiến hành thử xe ở các chế độ vận hành khác nhau và điều kiện sử dụng khác nhau để có những đánh giá tổng quát nhất đặc tính làm việc của xe sau khi cải tạo: - Tiêu hao năng lượng khi sử dụng động cơ điện, động cơ nhiệt và khi kết hợp cả hai. - Khả năng sạc lại cho ắc quy khi chạy bằng động cơ nhiệt. - Tốc độ tối đa của động cơ điện và động cơ LPG. Trước khi thử xe phải nạp đầy ắc quy, nạp đầy bình chứa LPG, cân khối lượng bình và LPG lúc đầy, sau đó bình được cân lại sau quãng đường thử để biết lượng tiêu thụ, xe vận hành trong điều kiện có tải. Hình 4.7. Chạy thực nghiệm xe hybrid LPDG-điện trên đường phố 4.3. Kiểm tra thực nghiệm các thông số đã tính ban đầu - Xe máy hybrid LPG-Điện sau khi chế tạo về kiểu dáng vẫn giữ nguyên như ban đầu. - Trước cải tạo khối lượng xe là 85kg, khối lượng xe tăng thêm 16 kg sau khi cải tạo, khối lượng tổng thể của xe là 101kg. - Chế độ tải: 2 người (130kg) - Tiêu thụ năng lượng: 50 Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí + Vận hành bằng điện: một lần sạc đầy đi được khoảng 15km. + Vận hành bằng LPG: chạy 17,5 km tiêu tốn khoảng 0,319 kg LPG (tức 1kg LPG vận hành được khoảng 54km) với vận tôc trung bình vtb = 35,67 km/h. + Vận hành bằng xăng: chạy 17,5 km tiêu tốn khoảng 0,265 kg xăng (tức 1 lít xăng vận hành được khoảng 46 km) với vận tốc trung bình vtb = 34,3 km/h. + Ở chế độ vận hành động cơ nhiệt để nạp điện trở lại khi ắc quy cạn hoàn toàn dung lượng thì khi chạy được khoảng 12km động cơ nhiệt thì dung lượng được sạc lại cho ắc quy cung cấp cho động cơ điện chạy thêm được khoảng 1,5km. - Khả năng tăng tốc: + Động cơ điện: tăng tốc từ 0 – 35 Km/h trong thời gian 40s. + Động cơ nhiệt: Khả năng tăng tốc khi chạy bằng LPG và xăng xấp xỉ nhau: 0 – 50 km/h trong thời gian 10s. 4.4. Ưu nhược điểm của xe gắn máy hybrid sau quá trình cải tạo Ưu điểm: + Xe có thể kết hợp 2 nguồn công suất riêng biệt, tạo sự thuận lợi cho người sử dụng + Xe giải quyết được phần nào bài toán năng lượng trong tương lai, khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt + Xe gắn máy hybrid là sản phẩm thân thiện với môi trường. một chiếc xe lai thường sử dụng ít hơn 30-60% nhiên liệu so với xe chạy xăng truyền thống. Ít xăng có nghĩa là làm giảm lượng khí CO2 và không khí sạch hơn. + Xe hybrid là sản tiết kiệm nhiên liệu. Tiết kiệm nhiên liệu cũng đồng nghĩa với việc tiết kiệm khoản chi phí cho xăng dầu, đặc biệt đối với người thường xuyên sử dụng xe để đi làm hàng ngày. Nhược điểm: + Trạm nạp điện cho Ắc quy chưa phổ biến, cũng như thời gian nạp kéo dài hơn nhiều lần so với việc nạp xăng truyền thống + Trạm cung cấp và lưu giữ LPG còn gặp nhiều khó khăn + Thời gian hoạt động của phương tiện sa