Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu của xe Hybrid

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu của xe Hybrid Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu của xe Hybrid Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tính kinh tế nhiên liệu của xe Hybrid luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

ĐÀO TIẾN THỊNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐÀO TIẾN THỊNH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA XE HYBRID LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGHÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC KHỐ: 2011A Hà Nội - Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO TIẾN THỊNH PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU CỦA XE HYBRID Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGHÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐÀM HOÀNG PHÚC Hà Nội - Năm 2012 CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài nghiên cứu riêng hướng dẫn thầy giáo TS ĐÀM HOÀNG PHÚC đề tài thực mơn Ơ tơ xe chun dụng, viện khí động lực Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết trình bày luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình Việt nam Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2012 Tác giả Đào Tiến Thịnh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị LỜI NÓI ĐẦU 10 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XE HYBRID 11 1.1 Lịch sử phát triển 11 1.2 Khái niệm xe Hybrid 11 1.2.1 Định nghĩa ôtô Hybrid 11 1.2.2 Các chế độ điều khiển làm việc chung xe Hybrid 12 1.2.3 Đặc tính động đốt 14 1.2.4 Đặc tính động điện 15 1.3 Phân loại 15 1.3.1 Theo thời điểm phối hợp công suất 15 1.3.1.1 Chỉ sử dụng motor điện tốc độ chậm 15 1.3.1.2 Phối hợp cần công suất cao 16 1.3.2 Theo cách phối hợp công suất động nhiệt động điện 16 1.3.2.1 Kiểu nối tiếp 16 1.3.2.2 Kiểu song song 18 1.3.2.3 Kiểu hỗn hợp 20 1.3.2.4 So sánh ba kiểu phối hợp công suất 21 1.4 Ƣu nhƣợc điểm xe Hybrid 21 1.4.1 Ưu điểm 21 1.4.2 Nhược điểm 22 1.5 Cấu tạo chung xe hybrid 22 CHƢƠNG II: TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU 24 2.1 Xu hƣớng 24 2.2 Chỉ tiêu đánh giá tính kinh tế nhiên liệu 24 2.3 Cách thức kiểm tra 25 2.3.1 Cách thức kiểm tra cũ 25 2.3.2 Các yếu tố thực tế ảnh hưởng đến phương pháp kiểm tra cũ 27 2.3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường xung quanh 27 2.3.2.2 Kiểm tra chuyển đông bánh 27 2.3.2.3 Lực cản lăn 27 2.3.2.4 Sức cản khí động học 28 2.3.2.5 Tải trọng xe 28 2.3.2.6 Kỹ lái 29 2.3.2.7 Chu trình lái xe 29 2.3.2.8 A / C phụ kiện 29 2.3.2.9 Địa hình, đường cong độ cao 30 2.3.2.10 Thời tiết 30 2.3.3 Cách thức kiểm tra 30 - Tầm quan trọng yếu tố có trọng số 33 - Sự thay đổi vốn từ: Thành phố quốc lộ 34 - Thời kì chuyển tiếp: 2008-2010 35 2.3.4 Cách thức kiểm tra tính kinh tế nhiên liệu cho xe HEV 35 CHƢƠNG III : CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TÍNH KINH TẾ NHIÊN LIỆU37 3.1 Các yếu tố kỹ thuật xe 37 3.1.1 Độ nhớt động 37 3.1.2 Các góc đặt bánh xe 37 3.1.3 Lốp xe 38 3.1.3.1 Áp suất lốp 38 3.1.3.2 Hệ số cản lăn: nhân tố khác: nhiệt độ 39 3.1.3.3 Hệ số cản lăn: nhân tố khác: tỷ lệ lốp 39 3.1.3.4 Hệ số cản lăn: nhân tố khác: vận tốc xe 40 3.2 Các yếu tố vận hành ngƣời lái 40 3.2.1 Phanh gấp 40 3.2.2 Đóng mở điều hoà cửa sổ 41 3.2.2.1 Điều hịa khơng khí 41 3.2.2.2 Phương trình tổn thất nhiên liệu A / C 41 3.2.2.3 Mở cửa sổ (cửa nóc) thơng gió 43 3.2.2.4 Tổn thất tính kinh tế nhiên mở cửa sổ 44 3.2.2.5 So sánh tính kinh tế nhiên liệu mở cửa mở A / C 44 3.2.3 Tăng tốc nhanh 46 3.2.4 Tốc độ xe 49 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 Đƣờng chuyển vận tốc 57 Đơn vị chuyển đồi 58 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt: Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa ĐCĐT Động đốt ECM Bộ phận điều khiển điện tử cho động HV ECU ECU điều khiển kết hợp ô tô  kg/m3 Mật độ khí CD Hệ số cản khơng khí GVWR Tải trọng FE mpg Tính kinh tế nhiên liệu W lb Trọng lượng xe m kg Khối lượng xe FE1 mpg Tính kinh tế nhiên liệu thành phố F1 mpg Tính kinh tế nhiên liệu chu trình FTP F2 mpg Tính kinh tế nhiên liệu chu trình US06 F3 mpg Tính kinh tế nhiên liệu chu trình SC03 F4 mpg Tính kinh tế nhiên liệu chu trình lạnh FTP W1, W2, W3, W4 Các trọng số  Hệ số xét đến ảnh hưởng lượng đến tính kinh tế nhiên liệu xe hoạt động điều kiện khác TKTNL Tính kinh tế nhiên liệu Hệ số cản lăn f AR Tỷ lệ lốp H mm Chiều dày mặt cắt lốp W mm Chiều rộng lốp BSFB,B lb / [(hp) (h)] Suất tiêu hao nhiên liệu cho động PE hp Công suất động PQ hp Công suất cần thiết để di chuyển xe mở tắt A/C PRA/ C hp Cơng suất trung bình A/C PRCO hp Cơng suất cản lăn VC0 VC0 mph Vận tốc mà lực cản gió lớn lực cản lăn V mph Vận tốc xe G lb/gal Tỷ trọng nhiên liệu CD Tỷ lệ gia tăng hệ số cản CDO Hệ số cản gió mở cửa  CD Hệ số gia tăng lực cản khơng khí mở cửa sổ Wf Lượng nhiên liệu sử dụng để tăng tốc nhanh a m/s2 F N Gia tốc dọc Lực qn tính t’ Thời gian khơng thứ ngun  Cơng suất không thứ nguyên PD hp Công suất cản không khí Danh mục bảng: Số hiệu bảng Tên bảng Trang Bảng So sánh ưu nhược điểm kiểu hệ thống phối hợp công suất 22 Bảng Thơng tin chi tiết chu trình lái xe EPA thành phố đường cao tốc sử dụng năm 2007 ước tính năm trước tính kinh tế nhiên liệu thành phố đường cao tốc 27 Bảng 3: Thơng tin chi tiết chu trình lái xe EPA thành phố đường cao tốc 35 Bảng 4: Năm chu trình thử nghiệm (lái xe) EPA 36 Bảng 5: Xác định thử nghiệm để sử dụng ước tính chi phí nhiên liệu thành phố quốc lộ 36 Bảng 6: Một số kết tính kinh tế nhiên liệu mát sử dụng dầu nhớt sai 40 Bảng 7: Số liệu từ đồ thị 41 Bảng 8: Tính kinh tế nhiên liệu cải thiện cách nhiệt Cabin với giảm tải A/ C Cadillac STS 2005 46 Bảng 9: Kết thực nghiệm tính kinh tế nhiên liệu cửa sổ mở sử dụng A/C 47 Bảng 10: Kết tính tốn cho trọng lượng nhiên liệu cần thiết để tăng tốc 51 Bảng 11: Bảng giá trị phân đoạn cho điều khoản phương trình 28 cho tính kinh tế nhiên liệu 54 Danh mục hình vẽ: Hình 1.1 Sơ đồ chế độ điều khiển Hình 1.2 13 15 Hình 1.3 Đặc tính cơng suất,mơmen động điện 16 Hình 1.4a Hệ thống Hybrid nối tiếp 18 Hình 1.4b Sơ đồ truyền động Hybrid nối tiếp 18 Hình 1.5a Hệ thống Hybrid song song 20 Hình 1.5b Sơ đồ truyền động hệ thống Hybrid song song 20 Hình 1.6a Hệ thống Hybrid hỗn hợp 21 Hình 1.6b Sơ đồ truyền động hệ thống Hybrid hỗn hợp 22 Hình 1.7 Một dạng ơtơ Hybrid kiểu hỗn hợp 23 Hình 2.1 Xe vị trí băng thử sở thử nghiệm 28 EPA Hình 2.2 Kiểm tra bên xe sở thử nghiệm EPA 28 Hình 2.3 Nhãn dán số kinh tế nhiên liệu 33 Hình 3.1 Đánh giá nguồn dầu mỏ cho thấy API đánh giá với đồng "Bảo tồn lượng" thích hợp 39 Hình 3.2 Lực ngang lốp xe chức góc trượt 40 Hình 3.3 Cho thấy điểm tiếp xúc lốp cho lốp xe AR thấp cao với vị trí CP điểm tiếp xúc 42 Hình 3.4 Tiêu thụ nhiên liệu trình phanh 43 Hình 3.5 Tỷ lệ phần trăm mát tính kinh tế nhiên liệu chức vận tốc xe A / C thêm lực khơng khí cửa sổ mở để thơng gió Ngồi ra, minh hoạ vận tốc VE 47 Hình 3.6 Đường đặc tính động suất tiêu hao nhiên liệu 53 Hình 3.7 Quan hệ tính kinh tế nhiên liệu với vận tốc xe sedan 55 Cửa sổ trời mở gây gia tăng lực cản khơng khí Do cơng suất động tăng lên khơng cần điều hịa 3.2.2.4 Tổn thất tính kinh tế nhiên mở cửa sổ Sự mát tính kinh tế nhiên liệu mở cửa sổ FE B  CD X   FE B 1 X (22) B : tỷ lệ suất tiêu hao nhiên liệu động thay đổi công suất động B βCD tỷ lệ gia tăng hệ số cản, ΔCD / CDU CDU hệ số cản gió mở cửa ΔCD gia tăng lực cản không khí cửa sổ mở X tỷ lệ Vxe VC0 3.2.2.5 So sánh tính kinh tế nhiên liệu mở cửa mở A/C Sử dụng phương trình 21 22 để tính tổn hao nhiên liệu mở điều hòa mở cửa sổ với tham số sau: PA / C = 3,8 (hp), βCD = 0,20 γA / C = tỷ lệ công suất = 3.8/4.8 = 0,80 PRCO = 4,8 hp ηPT = 1,0 VCO = 40 mph Các kết tính tốn thể hình 3.5, biểu đồ % nhiên liệu bị theo vận tốc xe Hai đường cong mát cắt vận tốc VE Tại chỗ cắt hình 3.5 vận tốc 43 mph Lúc hai điểm tổn thất , công nhận số E VE VE giá trị phân chia khoảng mà mát chiếm ưu Tham khảo đường cao tốc tốc độ mát xảy A / C kính cửa sổ kéo xuống Điều tốc độ gần VE Ở tốc độ thấp hơn, cửa sổ mở mà A / C mát Ở tốc độ cao hơn, A / C hiệu lượng đề cản gió để mở cửa sổ cửa sổ trời Với tốc độ đường cao tốc, cửa sổ mở so với cửa sổ đóng lên gây mát tính kinh tế nhiên liệu (3%) 44 Hình 3.5: Tỷ lệ phần trăm mát tính kinh tế nhiên liệu chức vận tốc xe A / C thêm lực khơng khí cửa sổ mở để thơng gió Ngồi ra, minh hoạ vận tốc VE Bảng 9: Kết thực nghiệm tính kinh tế nhiên liệu cửa sổ mở sử dụng A/C Vận tốc (mph) A/C Cửa sổ TKTNL Phần trăm mát 67 Tắt Đóng 30.5 0% 67 Tắt Mở 29.7 2.5% 67 Mở Đóng 26.7 12.5% Lưu ý: Giá trị VE khoảng 40 mph Đối với lái xe thành phố, cửa sổ mở xuống để giảm tối thiểu tính kinh tế nhiên liệu Phương trình cho VE tạo thể CD X  PT  A/C FE  B   B          2 FE  B CD  X  B  A/C X (1  X )  B  (23)  B  Giả thiết     ta tìm VE  B CD  B  AC 1/3  PA/C  VE      CD ACD  (24) Từ công thức ta thấy ảnh hưởng tham số tới VE nhỏ tỉ lệ theo bậc tham số 45 3.2.3 Tăng tốc nhanh Lượng nhiên liệu Wf, sử dụng để tăng tốc nhanh Wf (BSFC)(công suất)(thời gian)=(B)(công suất)(thời gian =pounds nhiên liệu B: lb /[(hp)(h)] Công suất cần thiết để tăng tốc độ P P = FV = maV (25) Trong m khối lượng xe (kg) a gia tốc (m/s2) F lực quán tính (N) V vận tốc xe (m/ ) Công suất P bỏ qua cần thiết lực cản lăn Sử dụng công thức (25) ta tính nhiên liệu tăng tốc thời gian dt:  dv  dWt  BmaVdt  BmaV    BmVdv  a  (26) Từ công thức ta thấy, suất tiêu hao nhiên liệu khơng đổi lượng gia tăng nhiên liệu tiêu hao cho q trình tăng tốc khơng phụ thuộc vào gia tốc a Thực tế giá trị BSFC phụ thuộc vào gia tốc Sự thay đổi BSFC gây chênh lệch nhỏ Thứ hai, lực cản lăn lực cản không khí thay đổi ảnh hưởng đến q trình tăng tốc Câu hỏi ảnh hưởng lực kéo vào nhiên liệu tiêu thụ giải sau: Phương trình WF=(BSFC)(cơng suất)(thời gian)=(B)(cơng suất)(thời gian) , có ba yếu tố BSFC tìm thấy từ đặc tính động Công suất đưa bởi:   dX   PQ  PRCO  X 1  X   X    dt    (27) PQ công suất cần thiết để di chuyển xe với A / C mở tắt (hp) PRCO công suất cản lăn đánh giá vận tốc VCO X tỷ lệ Vxe VC0 46 Giải phương trình (27) ta tính thời gian tăng tốc t'  XdX   X 1  X  (28) Trong t  thời gian không thứ nguyên X vận tốc không thứ nguyên (V / VCO)  công suất không thứ nguyên (PQ / PRCO) PQ tổng công suất lưc cản (kW), (hp) PRCO công suất cản lăn (f) đánh giá VCO Một số điều ý: Các mẫu số hàm tích phân phương trình bậc ba X Có vẻ tích hợp số dễ Khi mẫu số hàm tích phân số khơng,tích phân tách rời Khi mẫu số hàm tích phân số không, xe đạt tới vận tốc tối đa Trong thực tế  - X(1 X2) (29) sử dụng để tăng tới tốc độ tối đa Tăng tốc nhanh: bỏ qua lực cản khơng khí Kể từ phương trình bậc ba   -  X (1   X2)   khơng thể dễ dàng giải tích hợp, bỏ qua lực cản khơng khí (1 + X2) Tách rời cho thời gian ta t'  XdX X (30) Điều dễ dàng tích phân Bỏ qua lực cản khơng khí gây lỗi vài phần trăm, miễn X ≤ 1,0 Đối với X ≥ 1,0 sai số tăng nhanh Phương trình cho thời gian t '   ln  X X (31) 47 Một số tính tốn thực trọng lượng nhiên liệu cần thiết tóm tắt bảng Chiếc xe tăng tốc từ đến 60 mph Lượng nhiên liệu phụ thuộc chút gia tốc Đối với thời gian tăng tốc 42,2 s Bảng 8, xe 0,35 mi Đối với thời gian tăng tốc 23,7 s, xe 0,20 mi Đối với trường hợp 23,7 s, xe cần phải hành trình 0,35 - 0,20 = 0,15 mi Nhiên liệu sử dụng để khoảng cách bao gồm trọng lượng nhiên liệu Sự khác biệt việc tiêu thụ nhiên liệu khả tăng tốc nhẹ nhàng (42,2 s) tăng tốc nhanh (0) 10% Kết luận: Tăng công suất nhiên liệu để tăng từ 0,188 đến 0,208 lb Nhiên liệu sử dụng để vượt qua quán tính xác độc lập tầm quan trọng gia tốc Tóm lại, nhiên liệu tiêu thụ gần độc lập thời gian, tỉ lệ công suất thời gian số Nếu công suất lớn (tăng tốc nhanh), thời gian ngắn Nếu công suất nhỏ (tăng tốc nhẹ nhàng), thời gian dài Trong hai trường hợp, nhân công suất thời gian cho giá trị số Bảng 10: Kết tính tốn cho trọng lượng nhiên liệu cần thiết để tăng tốc Công suất không thứ Thời gian tăng tốc t,s nguyên  Trọng lƣợng nhiên liệu Tỷ lệ phần trăm giá trị Wf,Ib % 42.2 0.188 90 23.7 0.196 94 12.6 0.201 97 7.5 0.205 99  0.208 100 Kết hợp đo tính kinh tế nhiên liệu (MPG tức thời) Kết luận trƣớc Khi đạp gas, đồng hồ tính kinh tế nhiên liệu giảm từ 25 đến mpg Mà chứng cho thấy khả tăng tốc nhanh giảm tính kinh tế nhiên liệu? Đồng hồ báo vậy, đồng hồ đo xác Ngồi lượng nhiên liệu bị đốt cháy cao Tuy nhiên thời gian ngắn Một lần thời gian ( khoảng 48 cách) bỏ qua Sự quay vòng tính kinh tế nhiên liệu đảo ngược để đạt gallon / dặm Tốc độ công suất cao với số đo mpg 0,16 gal / mi khoảng cách thời gian chậm gia tốc Lượng nhiên liệu sử dụng (0,16 gal / mi) (1 / dặm) =0,04 gal Tăng tốc công suất thấp với số đo 20 mpg 0,05 gal / mi khoảng cách trình chậm gia tốc 0,8 mi Lượng nhiên liệu sử dụng (0,05 gal / mi) (0,8 dặm)= 0,04 gal Kết luận: Khi tăng tốc nhanh tính kinh tế nhiên liệu giảm xuống lượng nhiên liệu tăng lên mà quãng đường ngắn lại 3.2.4 Tốc độ xe Tối ƣu vận tốc Tính tốn để minh họa cho khái niệm cung cấp nhìn sâu sắc vào yếu tố khác ảnh hưởng đến tốc độ lái xe thích hợp để đạt tính kinh tế nhiên liệu tốt Các biểu tượng cần thiết cho phương trình P cơng suất : (kW), (hp) PQ cơng suất cần có: (kW), (hp) PR công suất cản lăn : (kW), (hp) PRCO công suất cản lăn tốc độ VCO : (kW), (hp) PE công suất động cơ: (kW), (hp) PD cơng suất cản khơng khí: (kW), (hp) FR lực cản lăn: (N), (lb) F chuyển động chống lại lực xe : (N), (lb) FD lực cản khơng khí : (N), (lb) W trọng lượng xe, 4.000 lb (17.920 N) f hệ số cản lăn lốp xe: 0,025 r mật độ khí quyển: 1,0 kg/m3 RG mật độ nhiên liệu: 6,2 lb / gal CD hệ số cản không khí: 0,305 A tài liệu tham khảo xe diện tích cản (phía trước): 4.0 m2 Tốc độ động (rpm), (vòng / phút) 49 a (tốc độ động cơ) / (vận tốc xe), có nghĩa rpm / V = 40 VCO vận tốc ngưỡng km / h: (mph) X tỷ lệ vận tốc = V / VCO BSFC suất tiêu hao nhiên liệu (lb nhiên liệu) / (hp) (h)] mpg tính kinh tế nhiên liệu (dặm/ gallon) Danh sách kí hiệu có giá trị tiêu biểu cho biến sử dụng ví dụ tạo Hình 3.6 Tính kinh tế nhiên liệu, phụ thuộc vào lực cản chuyển động phía trước xe Hai lực cản cản lăn lốp xe lực cản khơng khí Hình 3.6: Đường đặc tính động suất tiêu hao nhiên liệu Lực cản lăn là: FR = f W (32) Trong đó: f hệ số cản lăn với giá trị 0,01 0,04 Giá trị phụ thuộc vào việc chế tạo lốp xe , áp suất lốp, điều kiện bề mặt đường (cát có giá trị lớn so với nhựa đường), yếu tốc độ Lực cản tăng tuyến tính theo trọng lượng (W) Công suất (PR), cần thiết để vượt qua lực cản lăn PR = f WV  FR V (33) 50 V vận tốc xe Công suất cho V mph 60 = (26,8 m / s), f = 0,01, W = 3000 lb (M = 1362 kg) PR = 3,6 kW (4,8 hp) Để xác định tính kinh tế nhiên liệu chức vận tốc xe, công suất, PQ PQ  fWVCO X 1  X   PRCO X 1  X  (34) Đối với tốc độ động đầu vào (2500 rpm), giao lộ với PQ đường cong, giá trị cho hp (34 hp) BSFC (0,49 lb / hp h) thu Tính kinh tế nhiên liệu cho FE  mpg  GV ( BSFC )(hp)  GV (35) BP ρG mật độ nhiên liệu, 6,2 lb / gal, số vòng quay động V kết nối a Tèc ®é ®éng c¬ rpm   40 VËn tèc xe V Kí hiêu a phụ thuộc vào tỷ lệ sử dụng cơng suất Tỷ số tính kinh tế nhiên liệu: FE V B P    FE V B P (36) Phương trình 36 áp dụng để tìm tính kinh tế nhiên liệu cho khu vực vận tốc khác xác định X = V / VCO Xem Bảng 11 Đối với X nhỏ (