HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC Ô TÔ HYBRID 2 CHỖ NGỒI
Bài viết này trình bày thiết kế hệ thống động lực của ô tô hybrid 2 chỗ ngồi, phù hợp với điều kiện giao thông đô thị ở Việt Nam. Hệ thống động lực gồm động cơ điện 3,5kW chạy bằng nguồn accu 1 chiều và động cơ nhiệt 110cc của xe gắn máy chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG. Truyền lực được thực hiện theo phương án lai song song thông qua hộp vi sai. Khi chạy ở chế độ tải thấp ô tô chỉ sử dụng động cơ điện. Khi cần công suất lớn, cả hai động cơ cùng hoạt động để phối hợp cung cấp năng lượng cho ô tô. Khi xe dừng ở nơi không có nguồn điện lưới, động cơ nhiệt lai máy phát cung cấp điện để nạp cho accu. Hệ thống động lực trên được lắp thử nghiệm trên chassi ô tô Toyota để chạy thử nghiệm. Tốc độ cực đại của ô tô khi chỉ sử dụng động cơ điện là 46km/h. Tốc độ của xe khi phối hợp cả nguồn động lực là 72km/h. Ô tô lai điện-nhiệt sử dụng động cơ đốt trong chạy bằng LPG có mức độ phát ô nhiễm lý tưởng. Khi chạy bằng động cơ điện, ô tô không phát ô nhiễm. Khi động cơ nhiệt hoạt động, do chạy bằng LPG và ở chế độ tải định mức nên mức độ phát thải của nó chỉ bằng khoảng 20% so với động cơ xe gắn máy chạy bằng xăng. Ô tô hybrid điện-nhiệt hai chỗ ngồi gọn nhẹ, phù hợp với điều kiện giao thông đô thị nước ta. Phần lớn các bộ phận được chế tạo trong nước nên giá thành thấp. Xe đạt mức độ phát thải ô nhiễm lý tưởng khi vận hành.
1. Giới thiệu
Cơ giới hóa sự dịch chuyển là xu thế phát triển tất yếu của xã hội loài người. Các chuyên gia kinh tế cho rằng thị trường ô tô tiềm năng trong thế kỷ 21 sẽ dịch chuyển từ các nước Đông Âu và Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đông Nam Á, Trung Á và cuối cùng là Châu Phi [3]. Sự gia tăng mật độ ô tô dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá tải của cơ sở hạ tầng và ô nhiễm môi trường.
Giải quyết vấn đề thứ nhất, ngòai việc làm tốt công tác qui hoạch đô thị, nâng cấp hệ thống giao thông,… sự lựa chọn kích cỡ ô tô phù hợp cũng đóng vai trò quan trọng. Kích cỡ và kiểu dáng ô tô đã có sự thay đổi rất đáng kể trong thế kỷ qua. Để thuận tiện cho việc di chuyển trong thành phố và đậu xe, các nhà sản xuất ô tô đã cho ra đời những ô tô cá nhân có kích thước nhỏ gọn. Ô tô SMART 2 chỗ ngồi là một ví dụ điển hình (hình 1) [10].
Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường liên quan đến công nghệ về ô tô sạch. Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây: hoàn thiện các loại động cơ đốt trong truyền thống, sử dụng các loại nhiên liệu thay thế như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel…, sử dụng ô tô chạy điện, pin nhiên liệu [4]. Công nghệ ô tô lai (hybrid) kết hợp sự làm việc tối ưu của các nguồn dẫn động khác nhau đã mở ra triển vọng sáng sủa cho một loại ô tô sinh thái lý tưởng (hình 2). Trên hình vẽ này, chúng ta thấy ô tô lai sử dụng động cơ đánh lửa cưỡng bức kết hợp với động cơ điện vận hành hiệp trợ được xếp loại là loại ô tô có ưu điểm hàng đầu về mặt sinh thái hiện nay [11].
2. Ô tô cá nhân ở Việt Nam
Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tiềm năng phát triển ô tô ở nước ta là rất lớn, đặc biệt là các loại ô tô có giá cả ở mức độ thấp và trung bình, phù hợp với túi tiền của đa số người dân lao động. Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở nước ta chưa được phát triển, nhà ở thành phố chật hẹp, bãi đậu xe chưa được xây dựng, các loại ô tô cá nhân cỡ lớn sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng như cho người sử dụng. Vì vậy việc xác định một kiểu dáng xe phù hợp với cơ sở hạ tầng và thỏa mãn các tiêu chí về mức độ phát ô nhiễm ở nước ta là rất cần thiết. Ô tô cá nhân ở nước ta trước hết phải là phương tiện đi lại thông dụng có thể thay thế xe gắn máy. Vì vậy ô tô phải gọn nhẹ có tốc độ và quãng đường hoạt động tương đương với xe gắn máy nhưng an toàn và tiện nghi hơn, đặc biệt là tránh mưa nắng và bụi trên đường. Giá thành của xe phải thấp để đại bộ phận người dân có nhu cầu có thể mua sắm. Trong bối cảnh đó thì ô tô cỡ nhỏ hai chỗ ngồi là phù hợp với nước ta nhất [7].
Về hệ thống động lực của ô tô, từ những phân tích trên đây chúng ta thấy xu thế phát triển tương lai của ô tô là hướng về ô tô sinh thái, trong đó ô tô lai kết hợp dẫn động giữa động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ điện có ưu thế lớn nhất hiện nay. Để đón đầu sự phát triển này, chúng ta chọn hệ thống động lực của ô tô Việt Nam theo kiểu lai điện-nhiệt, trong đó động cơ điện chạy bằng accu và động cơ nhiệt chạy bằng khí gas hóa lỏng LPG. Khác với nguyên tắc ô tô lai “vận hành hiệp trợ” của Toyota, ô tô lai hai chỗ ngồi này vận hành theo nguyên tắc “phụ trợ”. Năng lượng điện nạp vào accu chủ yếu lấy từ lưới điện dân dụng khi ô tô không hoạt động, còn động cơ nhiệt chỉ kéo máy phát điện cung cấp thêm năng lượng khi xe chạy đường dài hay vượt dốc.
Sử dụng hệ thống động lực như trên đối với ô tô cá nhân ở nước ta sẽ mang lại lợi ích về nhiều mặt. Thật vậy, phần lớn điện năng của chúng ta được sản xuất bằng thủy điện (năng lượng tái sinh) không có khí thải gây ô nhiễm. Khí dầu mỏ hoá lỏng LPG là sản phẩm của quá trình lọc dầu hay tinh luyện khí thiên nhiên có nguồn cung cấp dồi dào ở nước ta. Hiện nay chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và trong tương lai các nhà máy lọc ở Dung Quốc, Vũng Rô, các nhà máy sản xuất gas ở các đầu mối tiếp nhận khí thiên nhiên được xây dựng và đi vào hoạt động thì khả độc lập nhiên liệu LPG của chúng ta sẽ rất lớn.
3. Thiết kế hệ thống động lực ô tô lai hai chỗ ngồi điện-nhiệt
Hình 3 giới thiệu sơ đồ hệ thống động lực của ô tô lai phụ trợ thiết kế. Cơ cấu truyền động cơ khí của ô tô bao gồm các bộ phận chính: động cơ điện, động cơ LPG, hộp vi sai, hộp giảm tốc (truyền lực chính), cầu xe và bánh xe chủ động.
Trên sơ đồ hình 3, động cơ điện có công suất 3kW được cung cấp điện từ nguồn accu có sức điện động 48V. Động cơ nhiệt có dung tích xi lanh 125cm3 nguyên thủy lắp trên xe gắn máy tay ga được chuyển đổi sang chạy bằng LPG nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GA-6. Hai nguồn động lực trên có thể cung cấp cho cầu chủ động của ô tô một cách riêng rẽ hay phối hợp nhờ bộ vi sai (hình 4). Hộp vi vai nhận mo men truyền từ động cơ điện và động cơ LPG. Các chốt điện từ cho phép người điều khiển xe phối hợp sử dụng hai nguồn động lực điện, nhiệt. Hình 5 là ảnh chụp các bộ phận của bộ vi sai sau khi chế tạo xong
Hình 6 là sơ đồ hệ thống truyền lực của ô tô hybrid thiết kế. Động cơ điện dẫn động trực tiếp càng bộ vi sai còn động cơ LPG dẫn động bánh răng hành tinh thông qua bộ truyền xích.
Hệ thống động lực trên được lắp thử nghiệm trên chassis của ô tô Toyota để vận hành thử nghiệm trên đường thực.
Kết quả cho thấy tốc độ cực đại của ô tô đạt 35km/h khi chỉ chạy bằng động cơ điện, đạt 45km/h khi chỉ chạy bằng động cơ LPG và đạt 65km/h khi chạy bằng cả hai nguồn động lực. Hình 7 giới thiệu ảnh chụp hệ thống động lực của ô tô hybrid sau khi lắp đặt xong. Hình 8 là ảnh chụp của xe khi đang chạy thử nghiệm.
Các tính năng của ô tô như trên phù hợp với điều kiện vận hành trong thành phố. Mức độ phát ô nhiễm của ô tô đạt đến mức lý tưởng: ô tô hoàn toàn không phát ô nhiễm khi chạy bằng điện và khi chạy bằng LPG, mức độ phát ô nhiễm của xe chỉ bằng khoảng 20% mức độ phát ô nhiễm của một xe gắn máy.
Để đơn giản hóa hệ thống động lực ô tô hybid điện-nhiệt phục vụ nghiên cứu, chúng tôi không lắp hệ thống máy phát điện để nạp điện cho accu cũng như hệ thống thu hồi năng lượng khi phanh. Khi sản xuất thực tế, các hệ thống này có thể bổ sung để hoàn chỉnh ô tô hybrid.
4. Kết luận
- Ô tô hybrid hai chỗ ngồi sử dụng động cơ điện chạy bằng accu và động cơ đốt trong chạy bằng khí gas hóa lỏng LPG là ô tô cá nhân phù hợp với điều kiện Việt Nam cả về điều kiện sử dụng lẫn khả năng cung cấp năng lượng và bảo vệ môi trường.
- Với các thông số đã chọn của động cơ điện và động cơ nhiệt chạy bằng LPG, tính năng của ô tô hybrid phù hợp với điều kiện vận hành ở đô thị Việt Nam.
- Hệ thống động lực của xe đã được tính toán, thiết kế với việc sử dụng các trang thiết bị có sẵn cho thấy khả năng chế tạo ô tô nói trên là hiện thực.
Tài liệu tham khảo
[1]. Bob Brant. “Build your own electric vehicle”. McGraw Hill Book, 1994.
[2]. Đỗ Văn Dũng (2003). “Hệ thống điện và điện tử trên ô tô hiện đại”. Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.
[3]. Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam (2002). “Planning Urban Transport System for Danang City”. ICAT 2002, Proceedings International conference on automotive technology, Paper 032, Science and Technics Publishing House.
[4]. Bùi Văn Ga, Hồ Tấn Quyền, Nhan Hồng Quang (2003).“Phương tiện giao thông sạch phù hợp với điều kiện Việt Nam”. Hội nghị Nghiên cứu Khoa học, chuyển giao công nghệ môi trường phục vụ đào tạo và bảo vệ môi trường công nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 22-23/8/2003
[5]. Bui Van Ga (2004). “Combstion of LPG-air lean mixture and its application on motorcycle engines”. The ASEM workshop on EU/ASIA Science and Technology co-operation on clean technology, Hanoi, 3-4 November, 2004
[6]. Bùi Văn Ga, Bùi Thị Minh Tú (2004). “Hệ thống nhiên liệu của xe gắn máy chạy bằng ga LPG”. Tạp chí Giao thông vận tải, số 10/2004, pp. 23-24 và 27
[7]. Bùi Văn Ga, Hồ Sỹ Xuân Diệu (2004). “Ô tô hybrid : Phương tiện giao thông cá nhân ô sạch phù hợp với điều kiện Việt Nam”. Hội nghị Khoa học-Công nghệ, Kỷ Niệm 40 năm Ngày Thành lập Cục Đăng Kiểm Việt Nam, pp. 165-172, Hà Nội 16-4-2004
[8]. Nguyễn Quân (2004).“Thiết kế hệ thống động lực ô tô lai điện-nhiệt hai chỗ ngồi. Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
[9]. Website: hppt://www.dc-motors.globalspec.com.
[10]. Website: hppt://www.smart.com.
[11]. Website: hppt://www.toyota.com.
