Thiết kế chế tạo xe ô tô năng lượng SC 4

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 17 THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE Ô TÔ NĂNG LƯỢNG XANH SC4 THE DESIGN AND MANUFACTURE OF GREEN ENERGY CAR SC4 SVTH: Tạ Ngọc Thiên Bình1, Huỳnh Kim Trạng1 Phạm Nguyên Sơn2, Trần Thanh Út3 Lớp: 105C4A, 205C4B, 306C4B, Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS. Dương Việt Dũng Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu về thiết kế và chế tạo xe ô tô sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) và nhiên liệu LPG cho động cơ để giảm bớt áp lực về nhiên liệu cho các ô tô sử dụng nhiên liệu truyền thống. Xe ô tô này được thiết kế chế tạo mới với kích thước: Dài 2300 mm x Rộng 1150 mm x Cao 1400 mm sử dụng 2 động cơ điện 800W, và động cơ nhiệt LPG công suất 2000W có thể đạt tốc độ 30km/h. Việc chế tạo sử dụng xe năng lượng xanh sẽ làm giảm ô nhiễm môi trường và là cơ sở nghiên cứu tiếp cho việc chế tạo xe thân thiện với môi trường trong tương lai gần. ABSTRACT This report illustrates designing and building a car which is used solar energy and LPG fuel for engine to decrease the pressure of traditional oils in automobile. The car is a new design with dimenssions: Length 2300mm x Width 1150 mm x Height 1400 mm using 2 electronic motor 800 Watts, and an engine with LPG fuel 2000W, it can be reach to the speed 300 km/h. The purpose of this design is to reduce wasting precious resources and destroying the environment and a base for the next study in manufacture vehicles friendly with natrual enviroment near future. 1. Mở đầu Hiện nay, thế giới đang rất quan tâm đến vấn đề ô nhiễm không khí và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống. Trong đó, ô nhiễm không khí tác động đến sức khỏe con người, gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái, làm khí hậu biến đổi bất thường gây nhiều ảnh hưởng nặng nề mà nguồn gây ô nhiễm nhiều nhất là khí thải động cơ gây ra. Theo dự báo của các chuyên gia, trong vòng 10 năm nữa, ít nhất 60% số ôtô đang vận hành trên thế giới sẽ sử dụng những loại nhiên liệu và năng lượng sạch thay vì sử dụng nhiên liệu truyền thống. NLMT là một trong các nguồn năng lượng sạch đang được các nhà khoa học nghiên cứu phát triển với đặc điểm: dễ chuyển đổi, là nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính, không gây ra ô nhiễm không khí nên được ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống như: nhà máy điện mặt trời, thiết bị đèn tín hiệu giao thông. Một số nghiên cứu thành công như: đề tài của TS Hoàng Dương Hình 1 - Lượng tổng bức xạ mặt Trời trung bình ngày của các tháng trong năm tại Đà Nẵng (MJ/m 2 .ngày) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 18 Hùng (Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng) bếp NLMT đã được sử dụng khá phổ biến, KS Dương Thanh Lương (ĐHBK TP. HCM) với hệ thống cấp nước nóng, đun nước sôi NLMT. Đặc biệt, ô tô sử dụng NLMT đã và đang được các quốc gia trên thế giới nghiên cứu chế tạo thành công như: Xe golf NLMT của hãng SunGo, thiết kế của hãng Solarlab, xe xích NLMT ở Ấn Độ…chứng tỏ xe NLMT đang dần đóng một vai trò quan trọng trong đời sống con người và sẽ ngày càng phát triển trong tương lai gần. Tuy vậy, Việt Nam là nước có cường độ bức xạ trung bình 4,59 kWh/m 2 /ngày thuộc loại cường độ bức xạ cao, rất có tiềm năng cho việc nghiên cứu sử dụng NLMT trong đời sống, nhưng khái niệm xe NLMT còn khá mới, chưa được đầu tư đúng mức. Hiện chỉ có kết quả xe NLMT của sinh viên ĐH Cần Thơ với vận tốc 25km/giờ, xe chở được 2 người (kể cả người lái) và sinh viên ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM với tốc độ 20 km/h sử dụng cho 1 người… Bài báo giới thiệu mẫu xe sử dụng NLMT và nhiên liệu LPG – là mẫu xe thân thiện với môi trường hoạt động ở các nơi như: ở các khu du lịch, các khu phố nhỏ, resort tại Việt Nam. Qua đó, mang lại một phương tiện giao thông mới phù hợp với cơ sở hạ tầng giao thông tại Việt Nam và góp phần giảm bớt ô nhiễm môi trường. Hình 3: “Sunmobile” Chiếc xe ô tô năng lượng mặt trời đầu tiên được chế tạo Hình 4: Xe golf năng lượng mặt trời của hãng SunGo Hình 5: „solarca/ rickshaw’ thiết kế bởi solarlab 2. Thiết kế xe năng lượng sạch SC4 Xe năng lượng xanh SC4 được thiết kế sử dụng 2 nguồn động lực độc lập: điện và động cơ nhiệt; điện năng lấy từ pin quang điện qua hấp thụ ánh sáng mặt trời và động cơ nhiệt sử dụng nhiên liệu LPG dùng dự trữ khi nguồn điện hết. Tuy nhiên do qui định giới hạn khuôn khổ báo cáo, nên nhóm chỉ tập trung báo cáo phần: tính toán công suất, tính chọn ắc qui và pin NLMT, thiết kế hệ thống điện và điều khiển. 2.1. Tính toán công suất Khối lượng toàn bộ Gtb=4414,5N ,vận tốc tối đa v=30km/h. Lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động (hai bánh xe trước) của xe sử dụng để khắc phục các lực : lực cản lăn Pf, lực cản dốc Pi, lực cản không khí Pω, lực quán tính Pj. Hình 2: Tháp năng lượng mặt trời Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 19 Pk = Pf ± Pi + Pω ± Pj = 998,93 (N) Tính xe lên dốc (độ dốc 10%): sinα = 0,1 =>α≈6o Pf=f.Gtb.cosα=65,85(N), fo=0,015; Pi =441,45(N); Pω =k.F.v=41,63(N); Pj=Gtb.a=450 (N), a=1(m/s 2 ) Thực tế 4 lực cản này thường không xảy ra cùng lúc. Do đó, lực cần thiết của động cơ: P fi =Pf+Pi =507,3(N) và P fω =Pf + Pω = 107,48(N) Ở tốc độ tối đa ta tính cân bằng công suất động cơ, với công suất cản là: Neω= 895,3 (W) Công suất cực đại yêu cầu của động cơ: Nect = Neω / η =1119,125 [W] (η 80%) Chọn động cơ ứng với công suất cực đại: Ne max= (1,1-1,25).Nect=1231,04- 1398,9[W] Chọn 2 động cơ điện công suất 800 W; động cơ nhiệt dung tích xy lanh 50cc sử dụng xăng 2.2. Tính chọn ắcqui và pin NLMT Dựa trên tính toán công suất của động cơ sử dụng, ta chọn phương án bố trí pin NLMT trước mui xe (phần 1) và trần xe (phần 2): Diện tích phần 1: 0,31 m 2 và diện tích phần 2: 0,776 m 2  Tổng diện tích đặt pin NLMT là: 1,086 m2 Chọn hai tấm pin NLMT công suất là 480 W có kích thước 1057x457x35 mm Kiểu dáng xe SC4 cũng đặt đến vấn đề giảm lực cản khí động học để có thể phát triển xe với tốc độ cao trong tương lai. 2.3. Hệ thống điện và điều khiển 2.3.1. Bố trí hệ thống điện: Dòng điện nạp cho ắc qui 14 được chuyển đổi qua 2 tấm pin NLMT thông qua bộ điều kế. Điện năng từ ắc qui chạy động cơ điện 13 thông qua bộ điều khiển động cơ 12 khi người sử dụng nhấn bàn đạp ga 9. Ngoài ra, điện năng từ ắc qui cung cấp cho các đèn hiệu, còi xe, hiển thị LCD trên bảng điều khiển. Với bộ biến áp dòng 48V thành 12V, động cơ nhiệt 7 được khởi động bởi bộ đề để chạy thông qua bảng điều khiển. Pin mặt trời (1) Pin mặt trời (2) Hình 6 – Vị trí bố trí pin năng lượng mặt trời trên xe SC4 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 20 2.3.2. Ắc qui: Dung lượng pin có thể cấp cho ắc quy trong 6,285 giờ, với điện áp nạp là 48 (V):Qn=In.tn=100,56 (Ah) 2.3.3. Số giờ và quãng đường xe chạy hết bình: Khi xe chạy, ắc qui tiếp tục được nạp điện : tp= Qn.U.0,8/PM=2,4 h Ta chọn loại ắc quy 12(V)–100(Ah) khối lượng m1 = 15,5(kg) 2.3.4. Bộ đổi điện: gồm: Dây nguồn vào 48V, dây nguồn âm chung và dây ra 12Vv, dây vào nối với cầu chì bảo vệ 7A và dây ra nối cầu chì bảo vệ 15A. 2.3.5. Thiết kế bàn đạp chân ga: Khi chân ga chuyển động kéo sắt từ bên trong chân ga chuyển động dẫn đến làm thay đổi cường độ từ trường xung quanh linh kiện hold, và thay đổi điện áp ra của chân ga. Chân ga sử dụng là loại chân ga điện áp thuận, tín hiệu ra thay đổi từ 1V đến 4,2V. Điện áp nguồn 5v tay ga được cung cấp từ bộ điều khiển và tín hiệu thay đổi ra của chân ga sẽ cung cấp ngược lại cho bộ điều khiển làm thay đổi tốc độ xe. 2.3.6. Thiết kế hệ thống truyền lực: Theo tính toán, hệ thống truyền lực sử dụng cần có tỉ số truyền 0i 4 ( N=0,9) với tỉ số truyền hộp số theo điều kiện kéo:ih1 1,039 và theo điều kiện bám: ih1 01,02 . Mômen được truyền từ động cơ nhiệt thông qua hộp số (có cơ cấu số lùi) đến truyền lực chính đến các bánh xe. 1 2 3 4 5 67891011121314 Hình 8: Bộ nguồn Li-ion Battery 12V/100Ah 1 5 0 1 0 0 10 R10 R20 Ø83 Ø30 6 0 40 7 Ø102 4 3 9 4 7 0 70 152 Hình 9 – Kết cấu bàn đạp chân ga Hình 7 – Bố trí chung và sơ đồ điện xe SC4 1- Bộ điều kế; 2-Pin NLMT; 3-Bình xăng; 4-Bình LPG; 5-Cầu chủ động; 6-Hộp số; 7-Động cơ LPG; 8-Phanh; 9-Bàn đạp ga; 10-Bảng điều khiển; 11-Biến áp 48V12V; 12-Bộ ĐK động cơ điện; 13-Động cơ điện; 14-Ắcqui Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 21 Động cơ nhiệt: Bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu LPG/xăng cho xe gắn máy của GS.TSKH Bùi Văn Ga được nhóm sử dụng cho động cơ nhiệt ở động cơ xe máy 50cc với công suất NeMax=2800W/; MeMax=4,7Nm và hiệu suất động cơ 90%. 3. Kết quả và bình luận Đây là đề tài khá mới mẻ về ô tô sử dụng năng lượng và nhiên liệu sạch nên cũng gặp nhiều khó khăn về tài liệu (hầu hết là Anh Ngữ), tuy vậy nhóm đã tính toán và đưa ra các kết quả sau: Xe sử dụng có kích thước tổng thể D2300xR1150xC1400 với khối lượng bản thân là 300kg và khối lượng toàn bộ (tối đa 2 người sử dụng) là 450kg, được thiết kế chạy với vận tốc cực đại là 30km/h, sử dụng độc lập 2 động cơ điện DC 48V-800W và 1 động cơ nhiệt 2800W. Xe còn sử dụng 4 ắc qui li-on loại 12V-100Ah và có thể đạt được quãng đường là 30km khi sử dụng trong vòng 2,4 giờ liên tục. Xe gồm các bộ phận chính: động cơ điện, bộ điều khiển động cơ, bộ lưu trữ điện, bộ chuyển đổi , pin mặt trời,vỏ xe, khung xe, hệ thống: phanh, treo, lái, đèn còi báo hiệu. Ngoài ra còn có động cơ nhiệt, hộp số (có cơ cấu số lùi), truyền lực chính và sử dụng dự trữ khi điện trong bình ắc qui hết hay hoạt động ở điều kiện ban đêm hoặc trời nắng yếu. Tuy vậy, chưa sử dụng được điều khiển bằng điện tử cho xe và cần phải có định hướng cho việc sản xuất động cơ đặc chủng cho loại xe SC4 thời gian tới. Pin mặt trời được sử dụng trên có công suất là 480W với số lượng 2 tấm, có thể nạp đầy ắc qui sử dụng trong vòng 6 giờ trong điều kiện nắng bình thường. Ngoài ra, xe sử dụng bộ chuyển đổi có sẵn với hiệu điện thế nạp là 48V sử dụng phù hợp cho ắc qui. Tuy nhiên, giá thành của những bộ này còn khá đắt, đặc biệt là giá thành của pin năng lượng mặt trời cùng bộ phụ kiện kèm theo và ắc qui lưu trữ điện. 4. Kết luận Đề tài đã đưa ra được mẫu xe phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam, đồng thời đảm bảo được sự ổn định khi xe đi trong thành phố. Xe đã hoàn thiện tính toán hệ thống: điện, truyền lực, chassis, phanh, treo, lái và thiết kế thẫm mĩ để thu hút người sử dụng xe. Đặc biệt, trên xe còn trang bị tính tiện nghi sử dụng cho các thiết bị hi-tech như: sạc di động, radio FM, quạt điện công suất nhỏ, đèn đọc sách… Hướng phát triển của xe SC4 là: lựa chọn vật liệu chế tạo khung và vỏ xe nhẹ, bền nhằm giảm khối lượng của xe, đồng thời chọn loại pin NLMT và ắc qui hiệu suất cao hơn và có giá thành thấp hơn. Ngoài ra, đầu từ cải thiện, nâng cao hiệu suất nạp, hoàn thiện thêm các hệ thống còn lại, cải tiến bộ điều khiển trung tâm để việc điều khiển nhẹ nhàng, R7.0 1 2 3 4 5 76 0 2200 Hình 10: Sơ đồ hệ thống truyền lực sử dụng động cơ nhiệt 1-Động cơ đề;2-Động cơ;3-Hộp số;4-Các đăng;5-Cầu chủ động Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 22 chính xác hơn. Và cuối cùng là cần có sự hỗ trợ của nhà nước thông qua chính sách phát triển năng lượng mới và ưu tiên cho các phương tiên sử dụng năng lượng sạch. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Cẩn và các tác giả. Lý thuyết ô tô máy kéo. NXB KH và KT, 2003. [2] Hoàng Dương Hùng. Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng. Khoa công nghệ nhiệt lạnh, trường đại học Bách Khoa - Đà Nẵng, 2008. [3] Bùi Văn Ga.Nghiên cứu công nghệ chuyển đổi xe máy sử dụng xăng sang sử dụng khí dầu mỏ hoá lỏng LPG. Đại học Đà nẵng – 2000 [4] James Larminie. Electric and Vehicle Technology Explained. 2003 [5] SHP TRADING & INVESTMENT. Khái niệm về hệ thống năng lượng mặt trời.2008 [6] Rashad Jazairy,M. Sean Muoneke.SENIOR DESIGN PROJECT . University Of Houston College of Technology, 2008 [7] [8] [9]