CHƯƠNG 3 : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO
3.2.3. Phương án lựa chọn động cơ, phân tích phương án lựa chọn
Sau khi cân nhắc, xem xét về nhiều yếu tố, nhóm quyết định lựa chọn động cơ điện vì: * Vận hành êm ái, không gây tiếng ồn
- Bên cạnh vấn đề ô nhiễm môi trường, nguồn nước, không khí, ánh sáng, thì ô
nhiễm tiếng ồn cũng là một vấn đền đáng quan tâm, bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe, đời sống.
- Ô nhiễm tiếng ồn có thể gây tăng huyết áp, căng thẳng, ù tai, giảm thính lực, rối loạn giấc ngủ và các tác hại khác.
- Theo quy định của Việt Nam tại nghị định của chính phủ Số 06/CP, ngày 20 Tháng 1 năm 1995. Mức ồn cho phép tại các vị trí làm việc được đánh giá bằng mức áp suất âm tương đương (sau đây gọi là mức âm) tại mọi vị trí làm việc, trong suốt ca lao động (8h), đo theo đặc tính A, không được vượt quá 85dBA, mức cực đại không được vượt quá 15 dBA.[10]
- Theo khuyến cáo của WHO, ngưỡng tiếng ồn cho phép là:
Môi trường nghỉ ngơi, độ ồn thường xuyên (âm nền) không quá 40 dB.
Môi trường sinh hoạt, âm nền không quá 60 dB
Môi trường sản xuất, âm nền không quá 80 dB. Nếu độ ồn cao hơn, thời gian tiếp xúc phải giảm.
- Theo kết quả nghiên cứu của Sở KHCN & MT, tại 12 đường và nút giao thông chính trên địa bàn Hà Nội, tiếng ồn trung bình vào ban ngày là 77,8 – 78,1 dBA, vượt tiêu chuẩn cho phép từ 7,8 – 8,1 dBA. Tiếng ồn tương đương trung bình vào ban đêm là 65,3 – 75,7 dBA, vượt tiêu chuẩn từ 10 – 20 dBA.[10]
- Còn riêng với thành phố Hồ Chí Minh lượng tiếng ồn đo được bào ban ngày có khi lên đến 85-90dBa cao hơn mức quy định 15dBA. Còn riêng với ban đêm giao động từ 83-97dBA cao hơn rất nhiều so với quy định là 25dBA. [10]
- Trong khi đó nguồn gốc của tiếng ồn hằng ngày chủ yếu đến từ hoạt động của con người, cụ thể là từ giao thông.
- Độ ồn của các phương tiện giao thông như ô tô, xe tải sử dụng động cơ đốt trong dao động từ 70 – 80db. Nếu ô tô cách 10m và bắt đầu tăng tốc, độ ồn có thể đạt khoảng 85db, xếp vào nhóm rất ồn.
- Đối với ô tô điện, gần như động cơ không phát ra âm thanh ở tốc độ thấp. Ở tốc độ cao, động cơ điện phát ra âm thanh, tuy nhiên cường độ rất nhỏ.
- Độ ồn của động cơ điện thấp tới mức, các hãng sản suất phải sử dụng tiếng ồn chủ động. Tiếng ồn duy nhất mà xe điện có thể tạo ra đó là tiếng ồn do lốp xe gây ra hoặc do sức cản của gió xảy ra khi xe chạy ở tốc độ cao.
- Vậy nên, việc sử dụng phổ biến động cơ điện sẽ góp phần rất lớn trong việc giảm thiểu tình trạng ô nhiễm tiếng ồn.
* Đường đặc tính tốc độ gần như là lý tưởng nên không cần trang bị hộp số
Hình 3.11 - Đồ thị đặc tính kéo lý tưởng của động cơ ô tô
- Phân tích đồ thị đặc tính kéo lý tưởng cho thấy, tại vị trí vận tốc thấp, giá trị lực kéo là lớn nhất, phù hợp để tăng tốc hoặt vượt dốc. tốc độ càng tăng thì lực kéo càng
nhỏ. Trong điều kiện vận hành thực tế của ô tô cho thấy khi ô tô đang ở tốc độ thấp hoặc
giảm tốc, người sử dụng thường có mong muốn tăng cao giá trị lực kéo (để có khả năng vượt dốc cao hoặc tăng tốc nhanh khi vượt xe).
Hình .12 - Đồ thị đặc tính kéo của động cơ đốt trong[3] Trong đó:
Ft: lực kéo
nmin: tốc độ nhỏ nhất nmax: tốc độ tối đa
Trong đó:
Me = Ft
Me: Momen
n: Tốc độ quay Ne: Công suất có ích ge: Suất tiêu thụ nhiên liệu
nM: Tốc độ quay ứng với momen cực đại
nN: Tốc độ quay ứng với công suất cực đại
ng: Tốc độ quay ứng với suất tiêu thụ nhiên liệu nhỏ nhất
- Động cơ đốt trong, cụ thể là động cơ xăng và động cơ diesel, chỉ có khả năng cung cấp momen xoắn một cách hiệu quả trong một phạm vi tốc độ quay nhất định, trong khi bánh xe chủ động của ôtô lại yêu cầu momen xoắn và tốc độ quay rất khác nhau trong điều kiện vận hành thực tế.
- Do đó về cơ bản, đường đặc tính momen của động cơ đốt trong không phù hợp với yêu cầu sử dụng xe trong thực tế. Để khắc phục nhược điểm này, trên động cơ đốt trong phải sử dụng hộp số (bộ phận thay đổi tỉ số truyền).
Hình 3.13 - Đồ thị đặc tính kéo của động cơ đốt
Hình 3.14 - Đồ thị đặc tính kéo của động cơ
đốt trong trang bị hộp số 4 cấp [3]
- Việc trang bị hộp số càng nhiều cấp số, thì dải tối ưu giữa lực kéo và vận tốc càng tăng, nối các dải này lại với nhau ta được một đường cong có hình dạng gần giống với đường đặc tính kéo lý tưởng của động cơ ô tô.
- Đường đặc tính kéo lý tưởng của ôtô phải có dạng của đường hyperbol trong một phạm vi rộng của tốc độ quay (0,5 nn nn), tức là lực kéo (Ft) tỷ lệ nghịch với vận tốc (v).[3]
- Còn với Ôtô điện không nhất thiết phải được trang bị hộp số vì bản thân động cơ điện đã có đặc tính tốc độ rất gần với đặc tính lý tưởng của động cơ ôtô.
- Dựa theo đồ thị đặc tính kéo của động cơ điện, ta có thể thấy, tại vị trí tốc độ nhỏ nhất, lực kéo Ft của động cơ điện là lớn nhất, điều này cho phép xe có thể tăng tốc độ tối đa một cách tức thì (bỏ qua yếu tố lực cản), sau một dải tốc độ ổn định, lực kéo và vận tốc tỉ lệ nghịch đều với nhau.
* Nhỏ gọn
Bảng 3.27 – So sánh động cơ đốt trong và động cơ điện
Động cơ đốt trong thông thường
Động cơ điện (tesla model s motor)
Ảnh minh họa
Trọng lượng (kg) 180 31.8
Công suất (kW) 140 270
Công suất sinh ra trong 1
kg trọng lượng (kW) 0.8 8.5
- Qua bảng so sánh cho thấy, động cơ điện nhỏ gọn hơn rất nhiều so với động cơ đốt trong mặc dù công suất lớn hơn. hơn nữa như đã trình bày ở phần trên, bản thân động cơ điện có đặc tính kéo gần như lý tưởng nên, không cần thiết trang bị hộp số và, một số cơ cấu phụ nên có thể tiết kiệm rất nhiều diện tích trên xe.
* Nguồn năng lượng có thể được tự chủ trong nước
- Hiện nay nguồn nhiên liệu chính sử dụng cho động cơ đốt trong có nguồn gốc từ dầu mỏ, cụ thể là dầu diesel và xăng. Tuy nhiên nguồn nhiên liệu này lại có 2 vấn đề lớn rất khó giải quyết
Dầu mỏ có thể coi là huyết mạch của mọi quốc gia trên thế giới ở thời điểm hiện tại, đó là nguồn động lực mạnh mẽ để phát triển kinh tế - xã hội, tuy nhiên nguồn dầu mỏ bị kiểm soát bởi một số quốc gia và tổ chức trên thế giới như: Opec, Venezuela, Ả Rập Xê Út, Canada, Iran, Iraq, Kuwait, Các Tiểu Vương Quốc Ả Rập Thống Nhất, Nga, Libya, Nigeria. bất cứ một biến động nhỏ nào tại những tổ chức, quốc gia kiểm soát dầu mỏ cũng có thể gây nên một cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Xét tình hình thực tế như hiện nay, xung đột giữa nga và ukaine đã làm cho giá nhiên liệu tăng phi mã, tác động nghiêm trọng đến kinh tế toàn cầu, trong đó bao gồm cả Việt Nam.
Dầu mỏ là nguồn tài nguyên có hạn và trữ lượng dầu mỏ hiện đang cạn
dần. Năm 2020 tổng lượng dầu mỏ khai thác trên thế giới khoảng 32,2 tỉ thùng,
tương đương 88,4 triệu thùng/ ngày. Trữ lượng dầu mỏ còn lại trên thế giới tính đến 12/2021 còn khoảng 1.454 tỉ thùng. Điều đó có nghĩa, với mức tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng của thế giới, trữ lượng dầu còn lại chỉ đủ để khai thác trong chưa đầy 45 năm nữa.
- Một số nguồn năng lượng thay thế có thể sử dụng cho động cơ đốt trong như
hidro, khí hóa lỏng LPG, khí thiên nhiên CNG, than đá hóa lỏng CTL, Bio-etanol/Bio- metanol, Khí sinh học (Biogas), nhiên liệu từ sinh khối biomass,… Tuy nhiên, các loại nhiên liệu này sẽ mắc phải một hoặc một số nhược điểm như: Khó bảo quản, chưa phổ biến, một số nhiên liệu có nhiệt trị không cao, khó có thể sản xuất một số lượng lớn thay thế cho dầu mỏ, một số nguồn năng lượng phát thải ra khí gây ô nhiễm môi trường,…
- Điện năng có thể coi là nguồn năng lượng sạch và bền vững nhất bởi vì Việt Nam có điều kiện tự nhiên rất thuận lợi để phát triển điện năng và năng lượng tái tạo.
Với vị trí địa lý, đường bờ biển dài, đặc thù khí hậu nhiệt đới gió mùa và nền kinh tế nông nghiệp mạnh, Việt Nam có nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, đa dạng, có thể khai thác cho sản xuất năng lượng như: Thủy điện, điện gió, điện mặt trời, sinh khối, địa nhiệt, nhiên liệu sinh học…
Theo bản đồ tiềm năng ĐMT do Ngân hàng Thế giới (WB) cung cấp, tài nguyên ĐMT của Việt Nam khá dồi dào với nguồn bức xạ nhiệt khoảng 2.056 kW/m2/năm và kéo dài từ các tỉnh miền Trung đến khu vực ĐBSCL. Cụ thể, tại những vùng như Tây Nguyên, Nam Trung Bộ, số giờ nắng sẽ đạt được từ 2.000
đến 2.600 giờ mỗi năm. Lượng bức xạ mặt trời tính trung bình khoảng 150 kcal/m2, chiếm khoảng 2.000 đến 5.000 giờ mỗi năm.
Theo đó, các địa phương ở phía bắc bình quân 1.800-2.100 giờ nắng/năm, trong khi đó, các tỉnh phía nam và TPHCM có mặt trời chiếu rọi quanh năm, ổn định kể cả vào mùa mưa với số giờ nắng trung bình năm cao hơn, từ 2.000-2.600 giờ/năm. Điều này cho thấy tiềm năng phát triển của lĩnh vực ĐMT rất lớn.
Việt Nam với lợi thế đường bờ biển dài trên 3.200km. Theo đánh giá của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng gió rất lớn, với hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính có tốc độ gió trung bình hằng năm lớn hơn 6m/giây ở độ cao 65m, tương đương công suất 512 GW. Đặc biệt, gần 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt, với tốc độ gió ở độ cao 65m là 7 - 8 m/giây. [5]
Bảng 3.28 - Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m [5]
Tốc độ gió trung bình Thấp < 6m/s Trung bình 6-7m/s
Tương đối cao 7-8m/s Cao 8 -9m/s Rất cao >9m/s Diện tích (K𝑚2) 197.242 100.367 25.679 2.178 111 Tỉ lệ diện tích (%) 60,6 30,8 7,9 0.7 >0 Tiềm năng (MW) -- 401.444 102.716 8.748 482
Bảng 3.28 - Quy mô sản xuất điện tại Việt Nam (2020)
Thủy điện
Nhiệt điện
(than, dầu) Điện khí Điện gió Điện mặt
trời Tổng sản lượng khai thác (MW) 72.892 Số liệu thống kê từ EVN, 124.220 Số liệu thống kê từ EVN, bộ công thương 34.660 Số liệu thống kê từ EVN, bộ công thương 982 Số liệu thống kê từ EVN, bộ công thương 16.500 Số liệu của Cơ quan Năng lượng tái tạo quốc tế (IREA)
bộ công thương Tiềm năng khai thác (MW) 123.000 .000 Định hướng cắt giảm, chuyển đổi sang khai thác nguồn năng lượng tái tạo.
Định hướng cắt giảm, chuyển đổi sang khai thác nguồn năng lượng tái tạo.
513.360 Số liệu của ngân hàng thế giới Không có số liệu cụ thể
- Với những lợi thế và tiềm năng vô cùng to lớn, Việt Nam hoàn toàn đủ khả năng
để tự chủ nguồn năng lượng.
* Không tạo ra bất kỳ khí có hại môi trường nào trong quá trình hoạt động
- Nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường ở động cơ ô tô ( động cơ đốt trong) nằm ở quá trình cháy.
- Cháy ở ĐCĐT là một quá trình hoá học có kèm theo toả nhiệt.
- Phương trình phản ứng hoá học giữa các phân tử nhiên liệu và không khí ở ĐCĐT có thể được biểu diễn như sau :
- Nếu lượng không khí nạp vào động cơ ít hơn lượng không khí lý thuyết thì nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn hoặc ở kỳ nổ (cháy), nhiệt độ trong buồng đốt quá cao sẽ sinh ra các sản phẩm khác, như : CO, NOx, HC, H2, CnHm, C,… một số khí này có hại cho môi trường, trong đó khí HC, CO, NOx là khí độc. Trong điều kiện cháy lý tưởng, thì sản phẩm cháy gồm: CO2, H20, N2. Trong số đó khí CO2 là khí có hại cho môi trường, thế nên, bản chất động cơ đốt trong chắn chắn là có hại cho môi trường, cải tiến động cơ đốt trong chỉ là quá trình làm giảm tối đa các khí có hại đó.
- Còn đối với động cơ điện, như đã trình bày ở phần trên, động cơ điện là thiết bị chuyển đổi trực tiếp từ điện năng thành cơ năng, trong quá trình chuyển đổi năng lượng, không sinh ra bất kỳ phản ứng hóa học nào nên không gây ra ô nhiễm môi trường như động cơ đốt trong.
* Hiệu suất rất cao
- Ở động cơ đốt trong, hiệu suất vô cùng thấp, hiệu suất trung bình chỉ rơi vào khoảng 35%, nguyên nhân là bởi vì ở động cơ đốt trong, chỉ có 1 kỳ sinh công (nổ), trong khi một chu trình công tác có 2 hoặc 4 kỳ. Quá trình làm việc của động cơ đốt trong sẽ sinh ra 2 loại tổn thất chính. Thứ nhất là tổn thất cơ học do các cơ cấu trong quá trình làm việc ma sát với nhau (Piston ma sát vào thành xylanh), thứ 2 là tổn thất nhiệt truyền qua thành xylanh và kể cả tổn thất nhiệt do chính quá trình làm mát của động cơ đốt trong.
- Vậy nên, đối với động cơ đốt trong rất khó để đạt hiệu suất làm việc cao. Có một số loại động cơ đốt trong có hiệu suất khá cao, có thể đạt mức 65%, nhưng đó là những động cơ diesel 2 kỳ trang bị trên tàu thủy, và bởi vì kích thước vô cùng lớn nên phạm vị ứng dụng của những động cơ này rất khiêm tốn.
- Đối với động cơ điện, làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, trong đó điện năng sẽ chuyển hóa thành cơ năng. Trong quá trình làm việc, động cơ điện cũng sinh nhiệt (nóng lên do điện trở dây dẫn và do ma sát sinh ra), nhưng so với động cơ đốt trong thì nhiệt độ này không đáng kể. Vì vậy, hiệu suất của động cơ điện hiện đại rất cao, xấp xỉ 90%.
* Chi phí vận hành thấp
- Với xe điện, mức tiêu hao năng lượng trung bình 15,52 kW/100km (VinFast VF E34). Chi phí tiền điện sạc xe là 484 đồng/km tính theo mức giá điện sinh hoạt bậc 5 hiện nay là 3.117 đồng/kW.
- So sánh với chi phí nhiên liệu cho xe chạy dầu DO 0,001S-V đang bán với giá 24.730đồng/lít (mức giá ngày 16/4/2022) và mức tiêu hao nhiên liệu trung bình 7,44 lít/100km (BMW X1 sDrive18i Hà Lan), tiền đổ dầu sẽ là 1.839 đồng/km.
- Để di chuyển cùng một quãng đường, một chiếc xe động cơ đốt trong phải chi một số tiền lớn hơn khoảng 3,7 lần để vận hành.
- Ngoài ra, xe điện còn tiết kiệm được các khoảng khác như chi phí thay nhớt động cơ, nhớt hộp số. Và để bảo trì, bảo dưỡng, sửa chữa động cơ điện thì rất đơn giản so với động cơ đốt trong, thế nên các khoảng chi phí này sẽ được tiết kiệm đáng kể.