Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Luyện Văn Hiếu NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI Ng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

Luyện Văn Hiếu

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG

TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

Mã số: 9520116

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Hà Nội – 2019

Công trình được thực hiện tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa HàNội

Vào hồi …….giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1 Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2015) Công nghệ thu hồi năng lượng động năng sử dụng bình tích áp thủy lực Tuyển tập Công trình – Hội nghị Khoa học Cơ học thủy khí toàn quốc năm

2015 tr 325-332;

2 Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2016) Nghiên cứu hiệu quả thu hồi động năng xe chuyên dùng bằng bình tích năng thủy khí Tuyển tập Công trình – Hội nghị Khoa học Cơ học thủy khí toàn quốc năm 2016 tr 223-233;

3 Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2018) Giới thiệu

hệ thống thực nghiệm phanh thu hồi năng lượng động năng bằng bình tích năng thủy lực trên xe ô tô chuyên dùng Tạp chí Cơ khí Việt Nam,

số 3 năm 2018 tr 58-65;

4 Luyện Văn Hiếu, Ngô Sỹ Lộc, Trần Khánh Dương (2018) Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm hệ thống phanh thu năng lượng động năng sử dụng bình tích áp thủy lực lắp trên xe thu gom rác 2,5 tấn Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 4 năm 2018 tr 100-106;

5 Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong (2018) A Hydraulic Regenerative Braking System: Some Modeling and ExperimentalResults Journal of Science & Technology technical

universities, No 127B, 2018, page 57-62

6 Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong (2018) Studyinghydraulic regenerative braking system on the dump truck The firstInternational Conference on Fluid Machinery and AutomationSystems 2018, page 68-73;

7 Luyen Van Hieu, Ngo Sy Loc, Tran Khanh Duong, Pham Van Hai andDong Minh Tuan (2018) Modeling and simulating specialized vehicleregenerative braking system The first International Conference onFluid Machinery and Automation Systems 2018, page 347-352

3

1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do lựa chọn đề tài

Hiện nay, năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt [1], đểphát triển bền vững kinh tế, cũng như bảo vệ môi trường là yêu cầu cấpbách đối với mọi quốc gia

Ngày 25 tháng 11 năm 2015 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyếtđịnh phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đếnnăm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 Do vậy vấn đề tiết kiệm nănglượng, cũng như khai thác các nguồn năng lượng tái tạo đang được ưu tiênphát triển ở nước ta hiện nay [2]

Hiện nay xe chuyên dùng sử dụng thu gom chở rác ở nước ta với số lượnglớn [3], hệ thống phanh của dòng xe này đang sử dụng thường là hệ thốngphanh dạng ma sát, trong quá trình phanh hãm xe, hệ thống phanh kiểu nàythực hiện biến đổi động năng của xe sang nhiệt năng, tiêu tán ra môi trườngxung quanh, không được thu hồi, hơn nữa do đặc điểm khai thác mà dòng xenày có tần xuất phanh dừng cao, công suất phanh lớn, dẫn đến sự lãng phínăng lượng, ngoài ra còn sản sinh ra lượng khí phát thải lớn gây

ô nhiễm môi trường Tuy nhiên để thay thế hết các dòng xe đang lưu hànhnày trong điều kiện kinh tế khó khăn ở nước ta là một công việc khó khăn,

do đó hướng nghiên cứu để phát triển một hệ thống phanh thu năng thủylực trên các dòng xe chuyên dùng thu gom chở rác cần được đặt ra.Nhằm hướng đến phát triển một hệ thống phanh có khả năng khai thác,thu năng lượng động năng trên xe chuyên dùng thu gom chở rác, tác giả

đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới” là nội dung nghiên cứu trong luận án.

1.3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Xe chuyên dùng thu gom chở rác sử dụng hộp

số sàn có gắn hộp chia công suất hạng nhẹ

4

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỉ lệ thu năng bằng hệ thống truyền độngthủy lực sử dụng bình áp năng lắp kết nối với hộp chia công suất trên xechuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn di chuyển ở vùng đồng bằng.Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán

lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm vật lý có tham khảo các kếtquả nghiên cứu ở trong nước và quốc tế

+ Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình lý thuyết phù hợp với môi trườngMatlab-Simulink được xây dựng, các đặc tính công tác được nghiên cứu

và đánh giá

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn, chế tạo,lắp đặt, thử nghiệm, tỉ lệ thu năng đã được đánh giá và so sánh với kết quảnghiên cứu lý thuyết

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Luận án đã vận dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đểchỉ rõ cụ thể phương pháp thu năng lượng động năng trong quá trìnhphanh xe chuyên dùng thu gom rác bằng hệ thống truyền động thủy lực sửdụng bình áp năng thủy lực để tích trữ, năng lượng thu được sẽ được tái sửdụng trên chính phương tiện xe đó

Công nghệ phanh thu năng lượng động năng xe cơ giới ngày càngđược sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, tuy nhiên ở nước ta nghiên cứu vềcông nghệ này còn hạn chế, do đó nội dung nghiên cứu của luận án gópphần vào kho nguồn tài liệu bổ trợ cho các nhà sản xuất xe chuyên dùng ởnước ta, thúc đẩy sự phát triển hệ thống phanh thu động năng bằng hệthống truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng thủy lực lắp trên dòng

xe chuyên dùng thu gom rác

1.5 Các điểm mới của luận án đạt được

- Đề xuất được cấu hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng

hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên xe chuyên dùng thu gom chởrác tải trọng 2,5 tấn;

- Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống phanh thunăng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên đốitượng xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn;

- Đánh giá tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xechuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn theo chế độ vận hành xe như: thay đổitay số truyền - vận tốc xe, áp suất bình áp năng thủy lực và khối lượng xe;

5

- Có thể khai thác động năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực kếtnối với hộp chia công suất trên dòng xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5tấn và dòng xe chuyên dùng có tính năng tương đương.

1.6 Cấu trúc của luận án: Trình bày trong 4 chương

Hình 2 10 Cấu hình sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe

chuyên dùng thu gom chở rác 2,5 tấn

2.1.2 Mô hình quá trình phanh thu năng thủy lực

P

Z2

Hình 2 2 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang

Phương trình cân bằng lực khi phanh xe trên đường nằm ngang (Hình2.2) như sau:

Pj = Pp1 + Pp2+Ppp+ Pr1 + Pr2 + Pw+ Pη (2.5)

6

Trong đó:

Pj - lực quán tính sinh ra trong khi phanh;

Pp1, Pp2 - lực phanh sinh ra ở bánh trước và bánh sau xe do hệ thống phanh ma sát (Hệ thống phanh nguyên bản của xe);

Ppp - lực phanh sinh ra ở bánh xe chủ động (bánh sau xe) do hệ thống phanh thu năng thủy lực;

Pr1, Pr2 - lực cản lăn ở các bánh trước và bánh sau;

ptc Thïng chøa dÇu

§êng truyÒn c«ng suÊt khi phanh

Hình 2 3 Sơ đồ quá trình phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực

 Tỉ lệ thu năng lượng 

Để đánh giá khả năng thu năng của hệ thống phanh thu năng thủylực, ta xác định tỉ lệ thu năng lượng phanh trong một lần phanh, thông số

tỉ lệ thu năng α là thương số giữa năng lượng thu được vào bình tích ápvới động năng giảm của xe trong một lần phanh như sau:

E

  aTrong đó:  - tỉ lệ thu năng

pgo – áp suất làm việc ban đầu của khí [N/m2]

Vgo - thể tích làm việc ban đầu của khí tương ứng với pgo

[m3] pg - áp suất của khí nén [N/m2]

Vg - thể tích của khí khi bị nén tương ứng với pg [m3]

Ev – Độ biến thiên động năng của xe ở vận tốc phanh ban đầu vo đến

vt

Hệ thống phanh thu năng hoạt động trong trường hợp ngắt ly hợp, do

đó ta bỏ qua ảnh hưởng của trọng khối quay của cụm bánh đà và các chitiết có trọng khối nhỏ trên đường truyền lực, biến thiên động năng của xe

ở vận tốc phanh ban đầu vo đến vt được xác định:

Trong trường hợp thu phanh thu năng đến khi xe dừng vt =0

(Evt=0), động năng xe được xác định:

vo- vận tốc xe phanh ban đầu [1/s];

vt- vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t [1/s];

Jbxi -mô men quán tính bánh xe thứ i [kgm2];

bxo-vận tốc góc bánh xe ở vận tốc phanh ban đầu[rad/s];

bxt-vận tốc góc bánh xe ở thời điểm dừng phanh

t[rad/s];n – số bánh xe

2.1.3 Một số phương án tái sử dụng năng lượng động năng

Năng lượng tích trữ được trong quá trình phanh thu năng có thể đượctái sử dụng hỗ trợ di chuyển hoặc phục vụ cơ cấu nâng hạ như cấu hìnhthể hiện phương án hình 2.16 và Hình 2.22; Cấu hình này có thể được ứngdụng trên dòng xe chuyên dùng tự đổ sử dụng thu gom rác và các xechuyên dùng có tính năng tương đương

8

V1 Bộ điều khiển p acc

Br Arduino Uno R3

1 V2

12Sơ đồ bàn đạp phanh

Phanh thờng của xe

2 Hộp éT4 PTO

Ly hợp

Động cơ Hộp số sàn

CL CLPTO

2.2 Khảo sát khả năng thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực bằng chương Matlab - Simulink trên xe chuyên dùng 2,5 tấn.

2.2.1 Kết quả trường hợp phanh khẩn cấp và phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực

Hình 3 2 Biểu đồ vận tốc xe trong

quá trình phanh trường hợp bằng hệ

thống thu năng và trường hợp

phanh khẩn cấp

Hình 3 2 Biểu đồ quãng đường

phanh xe trong quá trình phanh

trường hợp bằng hệ thống thu

năng và trường hợp phanh khẩn

cấp

Hình 3 1 Biểu đồ gia tốc xe trong

quá trình phanh trường hợp bằng

hệ thống thu năng và trường hợp

phanh khẩn cấp

Hình 3 6 Biểu đồ áp suất bình áp

năng trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn

cấp

Với điều kiện vận tốc phanh ban đầu của xe vo=30km/h, xe không tải

m =1700kg (theo biểu thức (2.52) Ev =67631(J)) ta thấy:

- Trong trường hợp cần phanh khẩn cấp, hệ thống phanh cơ khí và hệthống phanh thu năng thủy lực cùng hoạt động, thông số quãng đường phanh

và gia tốc phanh đáp ứng được điều kiện an toàn cho xe (quãng đường phanh

Sph =9,33 < 9,5m và gia tốc phanh av =7,03 > 5,0 m/s2), trong

10

trường hợp này hệ thống thu năng thủy lực cùng hoạt động và đã thu được

Ea =3079 (J) đạt tỉ lệ thu năng  = 4.55%;

- Trong trường hợp nếu xe hoạt động được trong điều kiện đảm bảo, ta

có thể phanh hãm xe hoàn toàn bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực khi

đó năng lượng thu được lên đến Ea = 18429 (J) tỉ lệ thu năng tăng cao đạtđến mức  = 27,25%

2.2.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất làm việc ban đầu khác nhau

p go

Hình 3 8 Biểu đồ vận tốc xe trong Hình 3 15 Biểu đồ áp suất bình áp

quá trình phanh trường hợp p go khác năng trong quá trình phanh trường

Với áp suất làm việc ban đầu của bình áp năng, với áp suất càng tăngthì thời gian dừng xe tph cành nhanh (tph = 16,78; 13,8; 11,7; 10,2 s), tỉ lệthu năng α càng tăng lên (     

2.2.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu khác nhau

Hình 3 3 Biểu đồ vận tốc xe trong Hình 3 4 Biểu đồ áp suất bình áp

quá trình phanh thu năng ở các năng trong quá trình phanh thu ở các trường hợp vận tốc phanh ban đầu trường hợp vận tốc phanh ban đầu khác nhau theo các tay số khác nhau theo các tay số

11

Kết quả đã phản ánh rõ ở tất cả các tay số về khả năng thu của hệ thốngthu năng thủy lực đều đạt được hiệu quả nhất định, tốc độ xe giảm (Hình 3.1),năng lượng thu được đều đạt được (Hình 3.2), tỉ lệ thu năng có sự ổn định ởtrong cùng tay số, tỉ lệ thu năng đạt được cao ở tay số thấp, giảm dần

ở tay số cao (Tay số 1, α 33%; Tay số 2, α 30%; Tay số 3, α 27%;Tay số 4, α 24%; Tay số 5, α 22%) Với cùng vận tốc, tỉ lệ thu năngđạt được cao ở tay số thấp;

2.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xe

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thay đổi khối lượng xe theo 3 trườnghợp khác nhau: m =1800; 2400; 3000kg, đã chỉ ra rằng với khối lượng xetăng lên, tỉ lệ thu năng lượng động năng có xu hướng giảm (α = 28,9%;27,3%; 25,8%) Tuy nhiên mức chênh lệch tỉ lệ thu năng không lớn

Hình 3 5 Biểu đồ giá trị áp suất Hình 3 6 Biểu đồ miền giá vận tốc xe

bình áp năng trong quá trình trong quá trình phanh thu năng lượng xe phanh thu năng trường hợp khối v o =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m lượng xe m =1800; 2400; 3000kg =1800; 2400; 3000kg

2.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng bơm đến quá trình phanh thu hồi năng lượng động năng

Hình 3 42 Biểu đồ áp suất bình áp Hình 3 7 Biểu đồ vận tốc xe trong

năng trong quá trình phanh thu năng quá trình phanh thu năng lượng xe lượng lưu lượng riêng d p khác nhau lưu lượng riêng d p khác nhau

12

Từ kết quả nghiên cứu quá trình phanh thu năng lượng động năng từ vậntốc ban đầu phanh vo=30km/h, Ev =91937(J) trên xe mô hình để ở tay số 3,cùng áp suất bình áp năng thủy khí đặt ở 85(bar), nghiên cứu quá trình phanh

ở 3 trường hợp: dp=8.4cc/rev; 14cc/rev; 25cc/rev; ta nhận thấy, lưu lượngriêng của bơm thủy lực càng lớn năng lượng thu được càng tăng (Ea

= 20059; 25066; 33265(J), tỉ lệ thu năng α = 21,8%; 27,3%; 36,2%)

2.3 Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng từ bình áp năng

2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng mô tơ thủy lực d m

Trong nghiên cứu này, ta sử dụng kết quả thu năng trong một lần phanh ởtốc độ 30km/h, ở tay số 3, áp suất làm việc ban đầu pgo =85bar, kết quả thuđược áp suất pmax = 101,05 bar, với số liệu này ta sẽ đánh giá khả năng tăngtốc xe khi hoạt động tái sử dụng năng lượng từ mức áp suất pmax = 101,05 bargiảm về đến áp suất dừng hoạt động hệ thống pstop= pgo =85bar

Hình 3 89 Biểu đồ vận tốc xe Hình 3 91 Biểu đồ quãng đường di

trường hợp d m khác nhau chuyển xe trường hợp d m khác nhau

Nhận xét: Năng lượng áp năng thủy lực đã được sử dụng để di chuyển

xe ở tay số 1, thể hiện thông qua mức giảm áp suất của bình từ mức ápsuất 101.05 bar về mức áp suất dừng pstop = 85 bar và lượng dầu thủy lựccung cấp đến mô tơ thủy lực 2.53 (lit), với cả 2 trường hợp (dm =14cc/rev;25cc/rev) thì di xe đều di chuyển được quãng đường nhất định (Skeo

=13,96 m; 7,82 m), tuy nhiên với lưu lượng riêng càng lớn thì vận tốc xeđạt được càng cao (vmax =4.98 m/s; 7,44 m/s)

2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng mức áp suất p ga khác nhau

13

Thực tế trong quá trình vận hành xe, mức năng lượng hay mức áp suấtbình áp năng từ quá trình thu được là khác nhau, vì vậy ta cần nghiên cứu ảnhhưởng mức áp suất bình áp năng đến khả năng tăng tốc xe, trong nghiên cứunày luận án sẽ đánh giá quá trình tăng tốc xe theo các mức áp suất thu đượctích trữ bình áp năng pga =100bar; 125bar; 150bar Năng lượng tái được sửdụng về mức áp suất làm việc nhỏ nhất của bình, pstop =85 bar.

di trường hợp p ga khác nhau chuyển xe trường hợp p ga khác nhau

Nhận xét: Kết quả trường hợp khởi hành xe (tay số 1) từ nguồn nănglượng bình áp năng theo các mức áp suất khác nhau, một lần nữa đã thểhiện rõ hơn về khả năng tái sử dụng của hệ thống Với mức áp suất thuđược từ quá trình phanh khác nhau càng lớn (pga= 100; 125;150bar) thìquãng đường di chuyển tăng (Skeomax=13; 29; 40 m), vận tốc xe lớn nhấttăng (vxemax =4,79; 8,47; 11,19 km/h)

2.4 Nghiên cứu thực nghiệm

Thí nghiệm đo các thông số cơ bản là áp suất bình áp năng thủy lực vàvận tốc xe trong quá trình phanh từ vận tốc phanh ban đầu vo đến khidừng xe theo các trường hợp:

- Thay đổi áp suất làm việc ban đầu của bình áp năng thủy lực;

- Thay đổi vận tốc xe theo các tay số tương ứng;

- Thay đổi khối lượng xe khác nhau

2.4.2 Đối tượng thực nghiệm và phương pháp đo

2.4.2.1 Đối tượng thực nghiệm

Đối tượng xe ô tô chuyên dụng thu gom rác loại 2,5 tấn

Từ kết quả khảo sát ở chương 3, các thiết bị trên hệ thống phanh thu năng lượng đã được lựa chọn phù hợp với mô hình xe thực nghiệm

Hình 4 2 Ảnh bơm bánh

Hình 4 3 Ảnh van thủy lực điều

răng thủy lực trên xe

khiển

Hình 4 4 Ảnh thiết bị đồ hồ đo áp suất, cảm biến thủy lực và công tắc áp

suất trên hệ thống

15