Đề tài Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE GẮN MÁY SINH THÁI CHẠY BẰNG ĐIỆN VÀ NHIÊN LIỆU KHÍ Mã số: T2019-06-123 Chủ nhiệm đề tài: ThS. Bùi Văn Hùng Đà Nẵng, 8/2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH XE GẮN MÁY SINH THÁI CHẠY BẰNG ĐIỆN VÀ NHIÊN LIỆU KHÍ Mã số: T2019-06-123 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ và tên Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao 1 Bùi Văn Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ Cơ khí Ô tô Chủ nhiệm đề tài MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ................................................... 4 1.1. Vấn đề về môi trường ................................................................................................ 4 1.1.1. Vấn đề môi trường toàn cầu.............................................................................. 4 1.1.2. Thách thức đối với ngành công nghiệp ô tô ..................................................... 6 1.2. Tác hại của khí xả động cơ ô tô, xe máy ................................................................... 6 1.2.1. Khí thải ô tô ...................................................................................................... 6 1.2.2. Khí CO .............................................................................................................. 7 1.2.3. Khí HC .............................................................................................................. 7 1.2.4. Khí NOx ............................................................................................................ 7 1.3. Xu hướng phát triển của ô tô – xe máy hybrid trong tương lai................................. 8 1.3.1. Xe Hybrid tại Việt Nam .................................................................................... 9 1.3.2. Giới thiệu xe gắn máy hybrid LPG – Điện ..................................................... 10 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TẠO XE GẮN MÁY HONDA CUB THÀNH XE GẮN MÁY HYBRID .................................................................................. 12 2.1. Thiết kế cải tạo xe gắn máy có sẵn thành xe gắn máy hybrid ................................ 12 2.1.1. Phân tích lưa chọn xe gắn máy để cải tạo ....................................................... 12 2.1.2. Phân tích các phương án lắp đặt động cơ nhiệt và động cơ điện .................... 13 2.2. Thiết kế bố trí hệ thống truyền động điện cho xe gắn máy hybrid ......................... 16 2.2.1. Thời điểm phối hợp công suất ........................................................................ 16 2.2.2. Phân tích, lựa chọn phương án phối hợp công suất ........................................ 16 2.3. Tính toán động học xe gắn máy hybrid................................................................... 21 2.3.1. Xác định động cơ điện .................................................................................... 21 2.3.2. Tính chọn ắc quy cho động cơ điện ................................................................ 24 2.4. Thiết kế hệ thống điều khiển cho xe gắn máy hybrid ............................................. 26 2.5. Nâng cao công suất và hiệu suất xe gắn máy hybrid .............................................. 28 2.5.1. Mục đích, yêu cầu ........................................................................................... 28 2.5.2. Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trên xe gắn máy hybrid ............................................................................................................. 29 THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CUNG CẤP LPG ................................. 35 3.1. Giới thiệu nhiên liệu LPG ....................................................................................... 35 3.1.1. Nguồn gốc, phân loại LPG ............................................................................. 35 3.1.2. Một số đặc tính của LPG ................................................................................ 36 3.1.3. Tình hình sử dụng nhiên liệu LPG cho xe gắn máy ....................................... 37 3.1.4. Lưu trữ khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ................................................................. 38 3.2. Lựa chọn phương án cấp LPG cho xe gắn máy ...................................................... 39 3.2.1. Tính toán lượng nhiên liệu LPG cung cấp ...................................................... 39 3.2.2. Nguyên lý phun LPG cho xe gắn máy ............................................................ 40 3.2.3. Sơ đồ tổng quát bố trí hệ thống cung cấp LPG ............................................... 41 3.3. Sử dụng bộ phụ kiện GATEC 27 trên xe Cub 50 ................................................... 42 3.3.1. Giới thiệu bộ phụ kiện GATEC 27 ................................................................. 42 3.3.2. Cấu tạo bộ phụ kiện GATEC 27 ..................................................................... 43 3.3.3. Bố trí bộ phụ kiện GATEC 27 ........................................................................ 44 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XE GẮN MÁY HYBRID LPG-ĐIỆN ........................................................................................................ 46 4.1. Thiết kế bố trí các hệ thống bổ sung ....................................................................... 46 4.1.1. Cải tạo phuộc để lắp trục bánh xe điện ........................................................... 46 4.1.2. Bố trí lắp đặt ắc quy cho động cơ điện ........................................................... 47 4.1.3. Bố trí lắp đặt bình chứa LPG cho động cơ nhiệt ............................................ 48 4.2. Thử nghiệm trên đường thực .................................................................................. 50 4.3. Kiểm tra thực nghiệm các thông số đã tính ban đầu .............................................. 50 4.4. Ưu nhược điểm của xe gắn máy hybrid sau quá trình cải tạo ................................. 51 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 54 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Ô nhiễm môi trường từ quá trình công nghiệp hóa. ............................................ 5 Hình 1.2. Diện tích rừng ngày càng bị thu hẹp. .................................................................. 6 Hình 1.3. Toyota Prius Plug-In Hybrid (Trái) và xe tay ga Honda PCX Hybrid (Phải). .... 9 Hình 2.1. Xe gắn máy Honda Cub 50 với động cơ có dung tích xilanh 50cc ................... 13 Hình 2.2. Động cơ nhiệt gắn trên xe .................................................................................. 13 Hình 2.3. Các phương án bố trí động cơ điện ................................................................... 14 Hình 2.4. Hệ thống hybrid nối tiếp .................................................................................... 17 Hình 2.5. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp ...................................................... 17 Hình 2.6. Hệ thống hybrid song song ................................................................................ 18 Hình 2.7. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song .................................................. 19 Hình 2.8. Hệ thống hybrid hỗn hợp ................................................................................... 19 Hình 2.9. Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp ..................................................... 20 Hình 2.10. Loại động cơ điện BLDC gắn trực tiếp trên vành bánh xe. ............................ 23 Hình 2.11. Bình ắc quy SKY – E Battery.......................................................................... 25 Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển xe gắn máy hybrid ............................................................... 27 Hình 2.13. Sơ đồ khối động cơ điện BLDC ...................................................................... 29 Hình 2.14. Các dạng cấu tạo của rotor .............................................................................. 30 Hình 2.15. Động cơ BLDC cấu trúc nằm ngang ............................................................... 30 Hình 2.16. Sơ đồ cấp điện cho các cuộc dây stato ............................................................ 31 Hình 2.17. Cầu chỉnh lưu 3 pha, bộ tăng áp và ổn định điện áp DC-DC .......................... 33 Hình 2.18. Sơ đồ hệ thống tự nạp điện của xe gắn máy hybrid ........................................ 34 Hình 3.1. Bình chứa LPG được chế tạo............................................................................. 38 Hình 3.2. Nguyên lý phun LPG xe cho cho gắn máy ........................................................ 40 Hình 3.3. Sơ đồ cung cấp LPG .......................................................................................... 41 Hình 3.4. Kết cấu bộ phụ kiện GATEC 27 ....................................................................... 43 Hình 3.5. Bố trí bộ phụ kiện GATEC 27 ........................................................................... 44 Hình 4.1. Động cơ điện có trục được nối cứng ................................................................. 46 Hình 4.2. Phuộc và bánh xe thiết kế cho xe gắn máy hybrid LPG- điện .......................... 47 Hình 4.3. Vị trí lắp đặt Accu ............................................................................................. 48 Hình 4.4. Bình gas được đặt trong thùng sau xe ............................................................... 48 Hình 4.5. Bản vẽ xe gắn máy LPG-điện trước và sau khi cải tạo ..................................... 49 Hình 4.6. Mô hình xe thực tế sau khi cải tạo ..................................................................... 49 Hình 4.7. Chạy thực nghiệm xe hybrid LPDG-điện trên đường phố ................................ 50 Mẫu 3. Thông tin kết quả nghiên cứu đề tài KH&CN cấp Trường ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí - Mã số: T2019-06-123 - Chủ nhiệm: ThS. Bùi Văn Hùng - Thành viên tham gia: - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật- Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 9/2019 - 8/2020 2. Mục tiêu: + Chế tạo hoàn chỉnh mô hình xe gắn máy hybrid chạy bằng điện và nhiên liệu khí LPG. + Chạy thử nghiệm và đánh giá kết quả của hệ thống. 3. Tính mới và sáng tạo: Kết hợp hai nguồn động lực để thực hiện việc truyền chuyển đổng cho các bánh xe chủ động tạo điều kiện phù hợp về tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. 4. Tóm tắt kết quả nghiên cứu: + Có thể cải tạo xe gắn máy 50cc thành xe gắn máy hybrid điện-khí sử dụng các cụm bộ phận của xe máy điện hiện có trên thị trường. Điều này cho phép đơn giản hóa qui trình và giảm giá thành cải tạo xe. + Mô hình xe vận hành phù hợp với điều kiện đường xá đô thị Việt Nam. Xe hybrid LPG–Điện tối ưu hóa việc sử dụng công suất và giảm ô nhiễm môi trường. 5. Tên sản phẩm: + Bản vẽ thiết kế mô hình xe gắn máy hybrid điện-khí + Mô hình xe xe gắn máy hybrid phục vụ đào tạo + Bài báo đăng trên tạp chí khoa học và công nghệ đại học Đà Nẵng có chỉ số ISSN, thuộc danh mục Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: + Tài liệu và mô hình phục vụ tốt cho giảng viên, sinh viên ngành Công nghệ ô tô trong quá trình đào tạo và nghiên cứu các nội dung liên quan đến đề tài. + Đề tài cung cấp mô hình, công cụ cho quá trình giảng dạy thực hành đến sinh viên theo học chuyên ngành cơ khí động lực. 7. Hình ảnh, sơ đồ minh họa chính Phương án bố trí động cơ điện trên xe gắn máy a. Động cơ điện đặt ở bánh xe trước; b. Động cơ điện đặt ở bánh xe sau; c. Động cơ điện đặt ở cả 2 bánh Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid nối tiếp Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid song song Sơ đồ truyền động hệ thống hybrid hỗn hợp Sơ đồ cung cấp LPG 1- Bình chứa, 2- Khoá ga, 3- Van điều áp, 4- Van điện từ, 5- Van cấp LPG, 6- Đầu ra van cấp LPG, 7- Vít điều chỉnh công suất; 8- Vòi phun LPG, 9- Vòi phun không tải, 10- lỗ hút chân không; 11- Van hút chân không, 12-Bộ phụ kiện GATEC 27, 13-Vít điểu chỉnh không tải 4 5 6 8 10 7 9 11 3 2 1 12 13 Cầu chỉnh lưu 3 pha, bộ tăng áp và ổn định điện áp DC-DC Sơ đồ điều khiển xe gắn máy hybrid Bộ phụ kiện GATEC 27 (a) (b) Bản vẽ xe gắn máy LPG-điện trước và sau khi cải tạo a. Xe gắn máy Honda Cub trước khi cải tạo b. Xe gắn máy Hybrid LPG-điện Mô hình xe thực tế sau khi cải tạo Ngày tháng năm Hội đồng KH&ĐT đơn vị (ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Mẫu 4. Thông tin kết quả nghiên cứu bằng tiếng Anh INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Design and manufacture of the Electric-Gas Multi Fuel Motorcyle models. Code number: Bui Van Hung Coordinator: Implementing institution: University of Technology and Education, The University of Danang Duration: from 9/2019 to 8/2020 2. Objective(s): + Complete manufacturing of Multi Fuel Motorcycle models using Electric-Gas energy + Run tests and evaluate the results of the system. 3. Creativeness and innovativeness: Combining two power sources to deliver the transfer of wheels for active wheels creates the right conditions for saving fuel and reducing environmental pollution. 4. Research results: + A 50cc motorcycle can be converted into an electric-gas hybrid motorcycle. Using the components of electric scooters available on the market. This allows for a simplified process and reduces the cost of vehicle modifications. + Vehicle operation model suitable for urban traffic conditions in Vietnam. The LPG - Electric hybrid vehicle optimizes capacity utilization and reduces environmental pollution. 5. Products: + Design drawing of electric-gas hybrid motorcycle model + Hybrid motorcycle model for training + Articles published in scientific journals: Journal of Science and Technology, The University of Danang 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: + Materials and models to well serve lecturers and students of Automotive Technology in the training and researching contents related to the topic. + The topic provides models and tools for the practical teaching process to students majoring in mechanics. Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển của Khoa học – Kỹ thuật thì phương tiện giao thông cũng ngày càng trở nên đa dạng. Tuy nhiên, chủ yếu vẫn là phương tiện tham gia giao thông sử dụng động cơ đốt trong. Đây chính là những loại phương tiện phát ra một lượng lớn khí thải độc hại ra môi trường. Bên cạnh đó, nhiên liệu hóa thạch ngày càng trở nên cạn kiệt bởi sự khai thác bừa bãi của con người. Để có biện pháp khắc phục những vấn đề trên đòi hỏi phải có một loại phương tiện tham gia giao thông vừa giảm phát thải ô nhiễm môi trường, vừa tiết kiệm năng lượng bền vững và lâu dài. Phương tiện giao thông "sạch" chạy trong thành phố đã thực sự lôi cuốn sự quan tâm của cả những nhà sản xuất ô tô lẫn các nhà quản lý môi trường. Các kỹ thuật mới nhằm hoàn thiện động cơ truyền thống như phun nhiên liệu điều khiển điện tử, hồi lưu khí xả, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng... đã tạo ra những bước tiến đáng kể trong ngành động cơ đốt trong. Tuy nhiên kết quả của sự hoàn thiện đơn thuần động cơ cổ điển nhằm giảm ô nhiễm môi trường cho tới nay vẫn còn xa so với sự mong đợi của các nhà bảo vệ môi trường. Phương tiện giao thông không phát sinh ô nhiễm (zero emission vehicle) vẫn đang còn là mục tiêu phía trước. Để đạt mục tiêu này thì điện và pile nhiên liệu là giải pháp lý tưởng nhất. Nắm bắt được điều này, chúng tôi đã cùng nhau thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí”. Với đề tài này, chúng ta vừa tiết kiệm được năng lượng nhờ vận hành bằng điện, vừa giảm được lượng phát thải ra môi trường. Đề tài được thực hiện với các tiêu chí: Tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, gọn gàn và đẹp. Xe gắn máy hybrid điện-khí kết hợp công suất động cơ điện và động cơ chạy bằng khí sẽ là giải pháp hiệu quả để xử lý vấn đề năng lượng và phát thải ô nhiễm của phương tiện giao thông cá nhân ở nước ta tương tự như việc sử dụng ô tô hybrid ở các nước phát triển. Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 2 2. Mục đích, ý nghĩa của đề tài Hiện nay lượng xe gắn máy ở nước ta chẳng những không có xu hướng giảm bớt mà ngày càng gia tăng. Trong tương lai sắp tới, đây vẫn là phương tiện di chuyển chủ yếu của người dân Việt Nam vì tính cơ động và thuận tiện, giá cả lại phù hợp với túi tiền của người dân lao động. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng vẫn đang làm đau đầu đối với các cơ quan quản lý Nhà nước. Đã có rất nhiều nghiên cứu và giải pháp được đưa ra nhằm hạn chế các vấn đề này đó là sử dụng tiến bộ của công nghệ. Các giải pháp được đánh giá tốt nhất hiện nay là sử dụng pin nhiên liệu (Fuel Cell Vehicle) và ô tô hybrid (lai) nhiệt – điện. Ô tô, xe máy sử dụng pin nhiên liệu có ưu điểm lớn đó là hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường nhưng hiện nay vấn đề lưu trữ đang còn là trở ngại. Ô tô, xe máy hybrid kết hợp được ưu điểm của động cơ điện và động cơ nhiệt đồng thời hạn chế được những nhược điểm của chúng nên tạo ra được hiệu suất cao và giảm phát thải ô nhiễm. Do đó, công nghệ xe lai đang được các nhà sản xuất ô tô, xe máy tập trung nghiên cứu và phát triển. Hiểu được vấn đề này, tôi đã tập trung nghiên cứu và phát triển mô hình xe gắn máy sử dụng động cơ hybrid LPG – Điện với mong muốn rằng sự kết hợp này sẽ tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm môi trường bền vững, lâu dài. 3. Phạm vi giới hạn nghiên cứu 3.1. Quan điểm nghiên cứu Quan điểm của nghiên cứu này là tạo ra sản phẩm mới than thiện với môi trường trên cơ sỡ cải tạo, lắp ráp những sản phẩm, cụm chi tiết, các bộ phận có sẵn, trên thị trường để giảm giá thành chế tạo. trên thực tế xe gắn máy xe máy điện, các cụm bộ phận, chi tiết của chúng đã được sản xuất hang loạt và thương mại hóa rộng rãi trên thị trường với giá thành ngày càng giảm. Vì thế trong nghiên cứu này chúng tôi hạn chế tối đa việc chế tạo chi tiết mới, thay vào đó, thay vào đó là tận dụng những cụm chi tiết có sẵn, cải tạo chũng để lắp ráp thành xe gắn máy hybrid đạt được những tính năng mong đợi. Thiết kế chế tạo mô hình xe gắn máy sinh thái chạy bằng điện và nhiên liệu khí 3 3.2. Giới hạn nghiên cứu a. Phạm vi nghiên cứu của đề tài này giới hạn các nghiệm vụ chính + Thiết kế lắp đặt bộ phụ kiện GATEC 27 sử dụng nhiên liệu Biogas để thay thế cho nhiên liệu xăng truyền thống. + Lắp đặt động cơ điện lên xe gắn máy hybrid LPG – Điện b. Nghiên cứu lý thuyết + Tìm các tài liệu trên internet, sách tham khảo về xe gắn máy hybrid LPG – Điện. + Làm đề cương, thuy