2.3.3 .Tính toán thiết kế trục
2.3.3.1 .Chọn vật liệu
3.1. Phần mềm mô phỏng ADVISOR
3.1.3.2. Phương pháp mô phỏng trong ADVISOR
Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng trong ADVISOR
Phương pháp mô phỏng trong phần mềm này bắt đầu từ một chu trình lái đưa ra cho xe, từđó xác định được công suất yêu cầu của xe qua mô hình hệ dẫn
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
98
động. Qua đó, tìm ra có những thành phần nào cần hoạt động có liên quan, công suất yêu cầu tại các bánh xe ở từng giai đoạn thời gian được tính toán trực tiếp từ vận tốc yêu cầu của chu trình lái. Công suất yêu cầu sau khi được tính toán chuyển thành tốc độ và mô-men, thì theo sơ đồ của mô hình sẽ tìm ra công suất yêu cầu tới các nguồn công suất như động cơ hoăc mô-tơ điện. Với từng thành phần, công suất này sẽđược tính toán ngược trở lại qua mô hình hệ dẫn động, có xét đến tổn thất. Cuối cùng, việc sử dụng nhiên liệu hay năng lượng điện được tính toán đểđưa ra tốc độ có thểđápứng thực tế cho trình lái. Một sơđồ thể hiện phương pháp mô phỏng trong ADVISOR được trình bày nhưsơđồhình 3.3. 3.1.4. Giao diện sử dụng của ADVISOR
Với một giao diện thân thiện, dễ sử dụng, phần mềm này là một công cụ hữu hiệu cho việc nghiên cứu công nghệ xe hơi nói chung và công nghệ hybrid nói riêng. ADVISOR cung cấp sự truy nhập dễ dàng và cho kết quả nhanh chóng tới người sử dụng. Ba cửa sổ có để người sử dụng nhập thông số và thay đổi các thành phần, từ cài đặt ban đầu cho đến kết quả cuối cùng. Cửa sổđầu tiên được sử dụng để nhập dữ liệu liên quan tới cài đặt ban đầu của xe. Cửa sổ thứ hai cung cấp một vài tùy chọn cho mô phỏng. Cửa sổ cuối trình bày các kết quả mô phỏng đã lựa chọn.
Cửa sổ nhập thông số đầu vào của một chiếc xe trong ADVISOR được trình bày trong hình 3.4, hình dạng hệ dẫn động xe (ví dụ: hybrid nối tiếp, song song, xe thông thường, …). Các sơđồ đặc tính thực hiện cho các thành phần hệ dẫn động khác nhau có thểđược sử dụng từ các danh sách liên kết. Thông số của một thành phần có thểđược thay đổi bởi sự hiệu chỉnh các giá trị riêng biệt được hiển thị trong các khung. Bất kì thông số vô hướng nào có thểđược sửa đổi bằng cách sử dụng sự thay đổi danh sách biến trong phần dưới bên phải của cửa sổ. Tất cả các thông số hình dạng của xe có thểđược lưuđể sử dụng sau đó. Sau các đặc điểm đầu vào của xe được xác lập này, tiếp theo là cài đặt mô phỏng.
Cửa sổ cài đặt mô phỏng ADVISOR được trình bày như trong hình 3.5, người sử dụng chỉ ra các trường hợp mà qua đó xe được mô phỏng. Chọn lựa chu trình lái, kiểm tra gia tốc và thiết lập độ dốc của được cũngnhư một số thông số khác. Ví dụ, khi một chu trình lái đơn lẻ được lựa chọn, dải tốc độ có thểđược xem xét phía trên bên trái của cửa sổ và một phân tích thống kê của chu trình được hiển thịở phần dưới bên trái. Với các thông sốđã thiết lập, mô phỏng được cho chạy và kết quả sẽđược đưa ra sau khi hoàn tất.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
99
Hình 3.4: Cửa sổ chọn thông số ban đầu của mô hình xe.
`
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
100
Cửa sổ hiển thị kết quả mô phỏng ADVISOR được minh họa như trong
hình 3.6, cho người sử dụng xem xét các hiển thị quá trình hoạt động của xe. Phần bên trái cửa sổ trình bày các đồ thị thể hiện các thông số phụ thuộc thời gian, như: tốc độ động cơ, mô-men động cơ,điện áp ắc qui… Bên phải cửa sổ là các kết quả tóm tắt như khả năng tiết kiệm nhiên liệu và hàm lượng các thành phần khí thải.
Hình 3.6: Cửa sổ trình bày kết quả mô phỏng.
Ngoài ra, phần mềm này còn cung cấp một giao diện trực quan, mô phỏng sự hoạt động của xe trong chu trình thử đã chọn lựa. Với sự hiển thị liên tục (hình ảnh động) quá trình làm việc của các thành phần trong hệ dẫn động (động cơ, mô-tơ…) qua các đồ thị phía bên phải cửa sổ, thể hiện trong hình 3.7.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
101
Hình 3.7: Giao diện trực quan mô phỏng quá trình hoạt động của xe.
3.2. Mô phỏng mô hình xe máy hybrid và xe máy với hệ dẫn động thông
thường trên ADVISOR.
Tiến hành mô phỏng cho cả hai dạng xe máy với hệ dẫn động thông thường và hệ dẫn động hybrid trên chu trình thử ECE-R40, minh họa trong hình 3.8.
Hình 3.8: Chu trình thử ECE R40.
Chu trình ECE-R40 gồm 6 chu kì giống nhau liên tiếp, mỗi chu kì có thời gian là 195(s), chi tiết vận hành trong một chu kì được trình bày theo bảng dưới đây:
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51 102 Bảng 3.2: Chu trình thử ECE R40 TT vận hành Bước vận hành Pha Gia tốc (m/s2) Vận tốc (km/h) Thời gian vận hành (s) Thời gian tích lũy (s) Bước Pha 1 Chạy không tải 1 - - 11 11 11 2 Tăng vận tốc 2 1,04 0-15 4 4 15 3 Vận tốc không đổi 3 - 15 8 8 23 4 Giảm vận tốc 4 -0,69 15-10 2 5 25 5 Giảm vận tốc, cắt li hợp 4 -0,92 10-0 3 5 28 6 Chạy không tải 5 - - 21 21 49 7 Tăng vận tốc 6 0,74 0-32 12 12 61 8 Vận tốc không đổi 7 - 32 24 24 85 9 Giảm vận tốc 8 -0,75 32-10 8 11 93 10 Giảm vận tốc, cắt li hợp 8 -0,92 10-0 3 11 96 11 Chạy không tải 9 - - 21 21 117 12 Tăng vận tốc 10 0,52 0-50 26 26 143 13 Vận tốc không đổi 11 - 50 12 12 155 14 Giảm vận tốc 12 -0,52 50-35 8 8 163 15 Vận tốc không đổi 13 - 35 13 13 176 16 Giảm vận tốc 14 -0,68 35-10 9 12 185 17 Giảm vận tốc, cắt li hợp 14 -0,92 10-0 3 12 188 18 Chạy không tải 15 - - 7 7 195
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
103
3.2.1. Chạy mô phỏng xe máy với hệ dẫnđộng hybrid hỗn hợp
Với các thông số của từng thành phần trong hệ dẫn động đã tính toán cho xe máy hybrid ở trên, ta thiết lập mô phỏng trên phần mềm ADVIOR.
3.2.1.1. Mô hình mô phỏng xe máy với hệ dẫn động hybrid
Hình 3.9: Sơđồ khối của xe máy hybrid mô phỏng.
Mô hình gồm các khối được liên kết với nhau theo sơ đồ của hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song-nối tiếp, bộ kết nối công suất là bộbánh răng hành tinh, đồng thời nó cũng đóng vai trò là hộp số vô cấp (CVT).
3.2.1.2. Các thông số thiết lập mô phỏng
Bên cạnh cơ sở dữ liệu của các thành phần trong hệ mô phỏng được nhập vào các file Matlab (m-file) dưới dạng các ma trận để làm cơ sở dữ liệu cho việc mô phỏng thì người dùng có thể nhập vào hoặc thay đổi một số các thông số trực tiếp trên cửa số thiết lập mô phỏng của ADVISOR.
Các thông sốđầu vào có thểthay đổi gồm: - Khối lượng khung xe: 50kg
- Công suất động cơ đốt trong là 6kW, khối lượng 20kg
- Bộ lưu trữnăng lượng (ắc quy) loại Nikel Metal Hydride (NiMH), điện áp 77V (gồm 10 mô-đun), khối lượng bộắc quy là 10kg.
- Mô-tơ điện xoay chiều có công suất 3kW, hiệu suất 0,9, khối lượng 8kg.
- Máy phát/mô-tơ điện xoay chiều có công suất 1kW, hiệu suất 0,84, khối lượng 2kg.
- Hệ truyền động CVT dùng bộbánh răng hành tinh. - Bánh xe máy thông thường có bán kính 0,3m.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
104
- Giả thiết khối lượng mang tải của xe là 70kg.
- Tổng khối lượng toàn bộ của xe mô phỏng khi mang tải là 162kg.
Hình 3.10: Cửa sổ thiết lập mô phỏng của phần mềm.
3.2.1.3. Kết quả mô phỏng
- Lượng nhiên liệu tiêu hao tính theo đơn vị (lit/100km)
- Lượng phát thải của các thành phần HC, CO, NOx tính theo đơn vị (g/km)
- Các đồ thị vận tốc, công suất, hiệu suất, các điểm làm việc của động cơ, mô-tơ; tình trạng nạp, hiệu suất phóng-nạp của ắc quy.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
105
Kết quả chạy mô phỏng được hiển thị trong cửa sổ sau:
Hình 3.11: Cửa sổ hiển thị kết quả chạy mô phỏng được.
Một số đồ thị minh họa sự hoạt động của các thành phần trong hệ dẫn động hybrid cho xe máy đã mô phỏng, được xuất từ phần mềm cho thấy rõ đặc tính làm việc của từng thành phần trong hệ dẫn động.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
106
Hình 3.12: Đồ thị các điểm làm việc của động cơ (kí hiệu: X- mô-men đầu ra trục khuỷu; ∆- điểm hoạt động thực tế).
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
a) b)
Hình 3.14: a) Hiệu suất phóng của ắc quy; b) Hiệu suất nạp của ắc quy.
3.2.2. Chạy mô phỏng xe máy với hệ dẫnđộng thông thường.
Tiến hành mô phỏng xe máy với động cơđốt trong của phần mô phỏng xe hybrid ở trên, dùng hộp số vô cấp và sử dụng hệ dẫn động thông thường. Ta thu được kết quảđể so sánh với xe sử dụng hệ dẫn động hybrid.
3.2.2.1. Mô hình mô phỏng xe máy với hệ dẫn động thông thường
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
108
3.2.2.2. Các thông số thiết lập mô phỏng
Bên cạnh dữ liệu cơ sở thiết lập trong các m-file thì tại thông sốđầu vào nhập trên giao diện mô phỏng gồm:
- Khối lượng khung xe: 50kg.
- Động cơ đốt trong của phần mô phỏng xe máy hybrid nêu trên. - Hệ truyền động hộp số vô cấp (CVT).
- Giả thiết khối lượng mang tải là 70kg. 3.2.2.3. Kết quả mô phỏng
Kết quả chạy mô phỏng cho xe máy với hệ dẫn động thông thường được trình bày trong hình 3.15. Bao gồm:
- Lượng nhiên liệu tiêu hao tính theo đơn vị (lit/100km).
- Lượng phát thải của các thành phần: HC, CO, NOx tính theo đơn vị (g/km)
- Đồ thị vận tốc, công suất, hiệu suất, vùng làm việc của động cơ.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
109
Hình 3.17: Đồ thị các điểm làm việc của động cơ trong xe máy thông thường.
3.3. So sánh và đánh giá kết quả mô phỏng.
Bảng 3.3: Kết quả so sánh giữa xe thông thường và xe hybrid
Tiêu hao nhiên liệu (lit/100km) HC (g/km) CO (g/km) NOx (g/km) Xe thông thường 3,4 0,863 8,184 0,486 Xe hybrid 2,3 0,483 4,447 0,355
Từ kết quả trên cho thấy với xe hybrid, lượng nhiên liệu tiêu thụ và các thành phần phát thải đều giảm rõ rệt so với xe thông thường, cụ thể:
- Lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm 32,35% - Thành phần: HC giảm 44%
CO giảm 45,66% NOx giảm 27%.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
110
Đồng thời so sánh đồ thị làm việc của cùng một động cơ khi ở hệ hybrid với khi ở hệ thông thường, ta thấy động cơ trong hệ hybrid phần lớn làm việc trong vùng tối ưuhơn, khảnăng leo dốc và gia tốc của xe tốt hơn.
Kết luận: Với xe máy dử dụng hệ dẫn động hybrid hỗn hợp song song-nối tiếp với bộ bánh răng hành tinh đã cho kết quả hoạt động của động cơ tốt hơn, từđó giảm đáng kểlượng tiêu thụ nhiên liệu và các thành phần khí thải độc hại. Tuy nhiên, với việc phối hợp các thành phần trong hệ dẫn động và chiến lược điều khiển đã nêu ở trên của mô hình này, thì hiệu quả chủ yếu khi xe chạy trong điều kiện đường đô thị (vận tốc thấp, thường xuyên phanh, dừng xe…).
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
111
KẾT LUẬN
Qua thời gian làm đồ án, với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Khổng Vũ Quảng và nỗ lực của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu thiết kế và tính toán phối hợp nguồn động lực trong xe hybrid”.
Đề tài đã đưa ra và tìm hiểu về công nghệ hybrid trên xe hơi, một công nghệđang là giải pháp thay thế cho xe hơi truyền thống. Với khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm các thành phần phát thải độc hại một cách đáng kể, thì công nghệ này đã đáp ứng được vấn đề cấp thiết trên toàn cầu về sự ô nhiễm môi trường, cũngnhư sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu dầu mỏ. Đồng thời, do có mô-tơ điện hỗ trợ trong quá trình hoạt động mà xe hybrid cho khả năng vận hành linh hoạt, tăng tốc tốt hơn xe thông thường.
Với những ưuđiểm như trên, ngày càng có nhiều hãng sản xuất xe hơi tập trung nghiên cứu, phát triển loại xe hybrid, cũngnhư chính phủ các nước cũng có nhiều chính sách nhằm khuyến khích người dân sử dụng loại xe này. Bởi vậy trong tương lai gần, xe hybrid là một giải pháp thay thế mang tính hiệu quả đối với ngành công nghiệp ôtô, xe máy.
Bên cạnh việc tìm hiểu, phân tích các dạng của công nghệ hybrid, đề tài của chúng em còn đưa ra phương pháp phối hợp một hệ động lực hybrid cho xe máy, và tiến hành chạy mô phỏng trên phần mềm ADVISOR. Kết quả mô phỏng đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc giảm nhiên liệu tiêu thụ và các thành phần phát thải, từđó có thểđưa ra một hướng phát triển mới cho việc sản xuất xe máy, một loại phương tiện giao thông đang rất phổ biến và chiếm số lượng nhiều ở Việt Nam.
Tuy nhiên, đề tài này còn một số hạn như chưađưa ra được một mô hình thực tế để kiểm nghiệm do vấn đề về thời gian, điều kiện thí nghiệm chưa cho phép để có số liệu chính xác cho việc mô phỏng... Đồng thời, ở thời điểm hiện tại công nghệ hybrid cho các phương tiện giao thông vẫn chưa được áp dụng phổ biến do chi phí sản xuất còn cao hơn công nghệ thông thường.
Chúng em hi vọng rằng qua đề tài này sẽ tạo tiền đề và cơ sở ban đầu cho việc nghiên cứu sâu hơn nữa công nghệ hybrid trong nghành Động cơ đốt trong và Viện Cơ Khí Động Lực, ĐH Bách Khoa Hà Nội. Và mong rằng các bạn sinh viên khóa sau có thể dựa trên đây để tiếp tục nghiên cứu phát triển đề tài này
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
112
nhằm đưa ra một mô hình thực tế dưới sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo.
Trong quá trình tìm hiểu, trình bày đề tài chúng em không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn bè đểđề tài của chúng em hoàn thiện hơn.
SV: Nguyễn Đăng Quyết, Thạch Văn Thức, Đồng QuốcNgọc Lớp: Động cơ-K51
113
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Minh Tuấn. Động Cơ Đốt Trong. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006.
[2]. Phạm Minh Tuấn. Lý Thuyết Động Cơ Đốt Trong. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2008.
[3]. Nguyễn Tất Tiến, Vũ Thị Lạt. Hệ Thống Nhiên Liệu Và TựĐộng Điều Chỉnh