Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.85 MB, 151 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------
Luyện Văn Hiếu
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------
Luyện Văn Hiếu
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số:
9520116
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGÔ SỸ LỘC
2. TS. TRẦN KHÁNH DƯƠNG
Hà Nội – 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Công trình được thực hiện tại
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc và TS. Trần Khánh Dương, các
kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được các tác giả
khác công bố trong bất kì công trình nào khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN
PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc
TS. Trần Khánh Dương
tháng
năm
Người cam đoan
Luyện Văn Hiếu
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, Tôi đã
nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy cô giáo và tập thể nghiên cứu khoa
học.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc và TS. Trần Khánh
Dương - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, là những người đã tận tình hướng dẫn, định
hướng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, cao học và sinh viên các khóa
thuộc bộ môn Máy và Tự động thủy khí - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí Động lực, lãnh
đạo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, Công ty Cổ phần Công nghệ ô tô Việt
Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã
thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội.
Hà Nội, ngày
tháng
Nghiên cứu sinh
Luyện Văn Hiếu
năm
MỤC LỤC
DANH MỤC KÍ HIỆU ......................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................................... vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................................... 3
1.1. Năng lượng động năng xe cơ giới ........................................................................... 3
1.2. Hệ thống phanh trên xe cơ giới ............................................................................... 5
1.3. Công suất và tần suất phanh phương tiện xe cơ giới .............................................. 9
1.4. Sự phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên thế giới ............................... 10
1.5. Tình hình nghiên cứu phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe cơ giới
ở nước ta. ......................................................................................................................... 14
1.6. Nghiên cứu khai thác động năng trên xe chuyên dùng ở nước ta ......................... 15
Kết luận chương 1 ............................................................................................................ 15
Chương 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC........................... 17
2.1
Lựa chọn phương án xây dựng mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực ........ 17
2.2
Xây dựng mô hình hệ thống thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom chở
rác loại 2,5 tấn .................................................................................................................. 23
2.2.1
Cấu hình hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom rác
2,5 tấn 23
2.2.2
Mô hình hóa quá trình phanh thu năng thủy lực ............................................... 27
2.2.2.1 Động lực học trong quá trình phanh xe trên đường nằm ngang........................ 27
2.2.2.2 Các phần từ thủy lực trên hệ thống phanh thu năng thủy lực ........................... 31
2.3
Một số phương án tái sử dụng năng lượng động năng.......................................... 40
2.3.1
Phương án phanh tái sử dụng trên hệ thống chuyên dùng cơ cấu nâng hạ. ...... 40
2.3.2
Phương án lắp thêm mô tơ thủy lực .................................................................. 42
2.3.3
Phương án thay đổi bơm thủy lực thành cụm bơm/mô tơ kết hợp .................... 44
2.3.4
Mô hình hóa quá trình tái sử dụng năng lượng trường hợp hỗ trợ di chuyển ... 48
Kết luận chương 2 ............................................................................................................... 55
Chương 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC ........................ 56
3.1
Khảo sát quá trình phanh thu năng thủy lực ......................................................... 56
3.1.1
Mô phỏng quá trình phanh thu năng thủy lực xe chuyên dùng bằng chương
trình Matlab - Simulink.................................................................................................... 56
3.1.2
Một số kết quả khảo sát quá trình phanh thu năng lượng động năng bằng mô
hình mô phỏng ................................................................................................................. 57
3.1.2.1 Khảo sát trường hợp phanh khẩn cấp và trường hợp phanh bằng hệ thống
phanh thu năng thủy lực .................................................................................................. 57
i
3.1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của mức áp suất làm việc ban đầu bình tích áp năng pgo
khác nhau. ........................................................................................................................ 60
3.1.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu khác nhau ............................ 65
3.1.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xe............................................................. 71
3.1.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng bơm đến phanh thu hồi năng lượng
động năng ........................................................................................................................ 76
3.2
Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng từ bình áp năng ................................. 80
3.2.1
Mô hình mô phỏng quá trình tăng tốc xe bằng chương trình Matlab - Simulink
81
3.2.2
Khảo sát quá trình tái sử dụng hỗ trợ tăng tốc xe.............................................. 81
Kết luận chương 3 ............................................................................................................... 89
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................................... 90
4.1
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu........................................................................... 90
4.2
Phương pháp nghiên cứu, đối tượng thực nghiệm và phương pháp đo ................ 90
4.2.1
Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 90
4.2.2
Đối tượng thực nghiệm ..................................................................................... 90
4.2.3
Phương pháp đo................................................................................................. 94
4.3
Quy trình thực nghiệm .......................................................................................... 96
4.4
Kết quả thực nghiệm ............................................................................................. 97
4.4.1
Kết quả thực nghiệm 1: Thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất làm việc ban đầu
đến quá trình phanh thu năng lượng động năng............................................................... 97
4.4.2
Kết quả thực nghiệm 2: Thực nghiệm phanh thu năng lượng xe theo vận tốc
ban đầu phanh khác nhau theo tay số tương ứng ............................................................. 99
4.4.3
Kết quả thực nghiệm 3: Thực nghiệm thay đổi khối lượng xe ....................... 102
4.5
Đánh giá kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng........................... 104
4.6
Chu kỳ phanh dừng cho mô hình thực nghiệm ................................................... 104
Kết luận chương 4 .......................................................................................................... 106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 113
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 114
Phụ lục 1. Thông số kỹ thuật ô tô khảo sát ............................................................... 114
Phụ lục 2. Mô hình mô phỏng bằng chương trình Simulink..................................... 118
Phụ lục 3. Dữ liệu nhập từ chương trình Matlab ...................................................... 121
Phụ lục 4. Mạch điều khiển hệ thống phanh thu năng thủy lực. ............................... 131
Phụ lục 5. Chương trình chạy trên phần mềm Arduino ............................................ 131
Phụ lục 6. Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm ...................................................... 134
ii
DANH MỤC KÍ HIỆU
STT
Ký hiệu
Tên gọi
Đơn vị
1
a
Khoảng cách từ trọng tâm xe đến véc tơ phản lực Z1
2
av
Gia tốc của xe
m/s2
3
avtb
Gia tốc phanh trung bình
m/s2
4
b
Khoảng cách từ trọng tâm xe đến véc tơ phản lực Z2
5
C
Tỷ số truyền chung của cơ cấu phanh
6
d
Đường kính ống dẫn dầu
7
dp
Lưu lượng riêng của bơm thủy lực
m3/vòng
8
dm
Lưu lượng riêng mô tơ thủy lực
m3/vòng
9
E
Động năng của vật
J
10
Ea
Năng lượng bình tích năng
J
11
Eamax
Năng lượng bình tích năng lớn nhất
J
12
Ekq
Động năng của khối rắn chuyển động quay
J
13
Ekt
Động năng của khối rắn chuyển động tịnh tiến
J
14
Ev
Động năng của xe ở vận tốc v
J
15
Evan
Năng lượng điện cung cấp van
J
16
Fbam
Lực bám của bánh xe
N
17
Fphmht
Lực cản tăng thêm do hệ thống phanh
N
18
G
Trọng lượng xe
N
19
Ght
Trọng lượng tăng thêm do hệ thống phanh
N
20
g
Gia tốc trọng trường
21
H
Khoảng cách từ trọng tâm xe đến mặt đường
22
hw
23
itrp
Tỷ số truyền từ trục bơm đến trục bánh xe
24
ih
Tỷ số truyền của hộp số sàn
25
io
Tỷ số truyền bộ truyền lực chính
26
iptc
Tỷ số truyền từ trục PTO đến trục thứ cấp của hộp số
27
K
Hệ số khí động học của ô tô
28
k
Hệ số đa biến của khí
29
L
30
Lph
m
m
m
m/s2
Khoảng cách từ điểm đặt lực cản không khí Pw đến
mặt đường
Khoảng cách từ điểm đặt lực véc tơ phản lực Z1 đến
Z2
Chu kỳ phanh
m
m
m
m
iii
31
Lphmax
Chu kỳ phanh lớn nhất giữa 2 lần liên tiếp
m
32
lm
Chiều dài đường ống dẫn dầu nhánh tái sử dụng
m
33
lp
Chiều dài đường ống dẫn dầu nhánh thu
m
34
Mbxp
Mô men phanh tại bánh xe
N.m
35
Mbxk
Mô men kéo tại bánh xe
N.m
36
Mp
Mô men của bơm thủy lực
Nm
37
Mm
Mô men của mô tơ thủy lực
Nm
38
Mtchs
Mô men vị trí trục thứ cấp hộp số
Nm
39
m
Khối lượng vật, Khối lượng xe
kg
40
mht
Khối lượng tăng thêm do hệ thống phanh
kg
41
Pw
Lực cản không khí
N
42
P’
Lực dẫn động tác dụng lên guốc phanh
N
43
Pj
Lực quán tính sinh ra trong khi phanh
N
44
Pr1
Lực cản lăn ở các bánh trước xe
N
45
Pr2
Lực cản lăn ở các bánh sau xe
N
46
Pp
Lực phanh tổng cộng tại các bánh xe chủ động
N
47
Pp1
Lực phanh cơ khí đặt ở bánh trước
N
48
Pp2
Lực phanh cơ khí đặt ở bánh sau
N
49
Ppp
50
Pk
51
Lực phanh của hệ thống phanh thu năng thủy lực đặt
ở bánh sau
N
Lực kéo tại các bánh chủ động
N
Pvan
Công suất van điện từ
W
52
pao
Áp suất nạp ban đầu của khí
N/m2
53
pcr
Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra của bơm thủy lực
N/m2
54
pcv
55
pcrm
Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra mô tơ thủy lực
N/m2
56
pcvm
Áp suất dầu thủy lực buồng cửa vào mô tơ thủy lực
N/m2
57
pg
Áp suất khí trong quá trình làm việc
N/m2
58
pgo
Áp suất làm việc ban đầu của khí
N/m2
59
pf
Áp suất dầu thủy lực cửa vào bình tích áp thủy lực
N/m2
60
Qp
Lưu lượng của bơm thủy lực
m3/s
61
Z1
62
Z2
Áp suất dầu thủy lực buồng cửa vào của bơm thủy
lực
Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe
trước
Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe sau.
iv
N/m2
N
N
63
Vao
Thể tích khí nạp
m3
64
Vgo
Thể tích làm việc ban đầu của khí
m3
65
Vg
Thể tích khí nén trong quá trình nạp
m3
66
Vf
Thể tích dầu thủy lực được đẩy vào bình tích áp
m3
67
v
Vận tốc vật
m/s
68
vo
Vận tốc xe phanh ban đầu
m/s
69
vt
Vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t
m/s
70
bx
Tốc độ của bánh xe
1/s
71
bxoi
Tốc độ của bánh xe thứ i tương ứng vận tốc xe vo
1/s
72
m
Vận tốc góc trục của mô tơ thủy lực
1/s
73
p
Tốc độ góc trục của bơm
1/s
74
ti
75
Jqt
Mô men quán tính của vật đối với trục quay của nó
kgm2
76
Jbx
Mô men quán tính bánh xe
kgm2
77
Ji
78
Jd
79
80
Vận tốc góc tại thời điểm t của chi tiết thứ i quay
quanh trục đi qua khối tâm của nó
Mô men quán tính của chi tiết thứ i quay quanh trục
đi qua khối tâm của nó
Mô men quán tính của bánh đà và các chi tiết chuyển
động quay của động cơ
1/s
kgm2
kgm2
Tỉ lệ thu năng
%
max
Tỉ lệ thu năng lớn nhất
%
81
ct
Tỉ lệ thu năng chu trình
%
82
Re
Hệ số rây nôn
83
rbx
Bán kính làm việc của bánh xe
m
84
rt
Bán kính tang trống phanh
m
85
Hệ số cản phụ thuộc vào hệ số Re
86
Độ nhớt động học của dầu
87
tph
Thời gian phanh
88
89
Hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối chuyển
động quay của xe
Hệ số bám.
90
Hiệu suất truyền động của hệ thống ruyền lực.
91
mp
Hiệu suất cơ khí của bơm thủy lực
92
mm
Hiệu suất cơ khí của mô tơ thủy lực
m2/s
s
v
hiệu suất truyền động từ trục thứ cấp hộp số đến bơm
93
ηtcp
94
vp
Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực
95
vm
Hiệu suất thể tích của mô tơ thủy lực
96
Khối lượng riêng của dầu
97
Hệ số tổn thất cục bộ đường dẫn dầu
98
v
99
vd
100
Evo
Động năng của xe ở vận tốc vo
101
plp
Tổn thất đường ống nhánh từ bơm đến bình tích năng
N/m2
102
pp
N/m2
103
pm
Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của
bơm thủy lực
Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của
mô tơ thủy lực
thủy lực
kg/m3
hệ số cản phụ thuộc vào ống, phụ thuộc vào độ đồng
đều của tiết diện chảy
Vận tốc trung bình của dầu
m/s
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu
Tên gọi
1
CBED
Cumulo Brake Energy Drive
2
CHD
Cumulo Hydrostatic Drive
3
FC
Full scale
4
HDA
Hydraulic Drive Assist
5
HLA
Hydraulic Launch Assist
6
HPA
Hydraulic Power Assist
7
HRB
Hydrostatic Regenerative Braking
8
NCS
Nghiên cứu sinh
9
MT
Manual transmission
10
PHHV
Parallel hydraulic hybrid vehicle
11
PTO
Power take-off
12
RBS
Regenerative Braking system
vi
J
N/m2
13
USB
Universal Serial Bus
14
FTP75
Federal Test Procedure 75
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3. 1 Bảng tổng hợp kết quả trường hợp phanh xe khẩn cấp và phanh bằng 100% hệ
thống thu năng ..................................................................................................................... 59
Bảng 3. 2 Bảng tổng hợp kết quả trong trường thay đổi áp suất bình áp năng pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 64
Bảng 3. 3. Bảng thông số dải vận tốc và tay số xe phù hợp trên xe tham khảo .................. 65
Bảng 3. 4 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản kết quả thu năng ở vận tốc khác nhau ................ 69
Bảng 3. 5 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản trong 3 trường hợp khối lượng khác nhau .......... 75
Bảng 3. 6 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản các trường hợp lưu lượng riêng dp thay đổi ....... 80
Bảng 3. 7 Bảng tổng hợp các kết quả chính trong trường hợp tái sử dụng năng lượng ..... 85
Bảng 3. 8 Bảng tổng hợp trường hợp áp suất pga khác nhau .............................................. 88
Bảng 4. 1 Các thông số cơ bản của Card Arduino Uno R3 [65]......................................... 93
Bảng 4. 2 Bảng các thông số cơ bản cảm biến tiệm cận ..................................................... 95
Bảng 4. 3 Quy hoạch thí nghiệm ......................................................................................... 96
Bảng 4. 4 Bảng so sánh kết quả giá trị tỉ lệ thu năng giữa mô phỏng với thực nghiệm ... 104
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 Đồ thị quan hệ động năng (E) với khối lượng (m) và vận tốc (v) của một số xe cơ
giới ......................................................................................................................................... 4
Hình 1. 2 Sơ đồ cơ cấu phanh ma sát loại tang trống (nguồn - [7]) ..................................... 5
Hình 1. 3 Cơ cấu phanh ma sát loại đĩa (nguồn - [8]) .......................................................... 5
Hình 1. 4 Bình tích áp năng thủy lực................................................................................... 8
Hình 1. 5 Biều đồ quan hệ năng lượng riêng và công suất riêng của các phương tiện tích
trữ năng lượng (nguồn: [21]) ................................................................................................ 9
Hình 1. 6 Quan hệ Công suất phanh và tần suất phanh ở một số xe cơ giới (nguồn: [27]) . 9
Hình 1. 7 Hệ thống CBED - Cumulo Brake Energy Drive (nguồn: [28]) ........................... 10
Hình 1. 8 Hệ thống CHD - Cumulo Hydrostatic Drive (nguồn [16]).................................. 11
Hình 1. 9 Parker advanced series hydraulic hybrid (nguồn: [30]) ..................................... 11
vii
Hình 1. 10 Sơ đồ hệ thống HLA trên xe thu gom rác của tập đoàn Eaton (nguồn [31]) .... 12
Hình 1. 11 Sơ đồ bố trí hệ thống HRB cùng hệ thống truyền lực trên xe thu gom rác của
Bosch Rexroth group (nguồn: [33])..................................................................................... 12
Hình 1. 12 Tỉ lệ năng lượng phanh và các tổn thất năng lượng so với tổng động năng của
một số chủng loại xe (nguồn: [37]). ................................................................................... 13
Hình 2. 1 Mô hình thực nghiệm hệ thống thu hồi động năng khi phanh bằng bình áp năng
thủy lực đặt trong phòng thí nghiệm, khoa cơ khí động lực trường Đại học Ulsan – Hàn
Quốc (nguồn: [43]) .............................................................................................................. 17
Hình 2. 2 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp phanh thu năng thủy lực (nguồn: [43]).......... 18
Hình 2. 3 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp tái sử dụng (nguồn: [43]) ............................... 19
Hình 2. 4 Sơ đồ cấu tạo điển hình hệ thống truyền lực trên ô tô chuyên dùng ................... 19
Hình 2. 5 Ảnh xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn do Công ty cổ phần công nghệ ô tô
Việt Nam sản xuất lắp ráp. .................................................................................................. 20
Hình 2. 6 Sơ đồ điển hình hộp số sàn loại 5 cấp số tiến cùng với hộp PTO trên xe chuyên
dùng ..................................................................................................................................... 21
Hình 2. 7 – Sơ đồ chi tiết hộp số sàn MT (5 số tiến+1 số lùi) cùng hộp PTO và dòng truyền
công suất từ động cơ đến trục thứ cấp theo vị trí các số khác nhau (1,2,3,4,5, R) ............. 22
Hình 2. 8 Sơ đồ đường truyền năng lượng từ động cơ đến trục PTO ................................. 22
Hình 2. 9 Sơ đồ dòng truyền công suất từ trục thứ cấp đến trục PTO theo vị trí tay số 1, 2,
3, 4, 5 và số lùi R ................................................................................................................. 23
Hình 2. 10 Sơ đồ hệ thống phanh trường hợp không hoạt động, ĐT4 ở vị trí off ............... 24
Hình 2. 11 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ không tải, ĐT4 ở vị trí on ......................... 25
Hình 2. 12 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ phanh thu động năng ................................ 26
Hình 2. 13 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang................................... 27
Hình 2. 14 Sơ đồ quá trình phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực ....................... 28
Hình 2. 15 Sơ đồ bình tích áp năng thủy khí theo các trạng thái làm việc ......................... 35
Hình 2. 16 Sơ đồ phương án hệ thống thu năng thủy lực và tái sử dụng lại năng lượng vào
hệ thống công tác chuyên dùng nâng hạ ben thủy lực (chế độ phanh thu năng) ................ 40
Hình 2. 17 Sơ đồ phương án hệ thống trường hợp tái sử dụng năng lượng vào cơ cấu công
tác nâng ben thủy lực........................................................................................................... 41
Hình 2. 18 Sơ đồ hoạt động bổ sung áp năng thủy lực từ bơm để công tác nâng ben thủy
lực ........................................................................................................................................ 41
Hình 2. 19 Sơ đồ hoạt động trong trường hợp hạ ben xả dầu về thùng chứa ..................... 42
Hình 2. 20 Sơ đồ hệ thống thu và tái sử dụng năng lượng động năng trên xe chuyên dùng
tác giả đã đề xuất trên Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc năm 2016 ............................... 43
viii
Hình 2. 21 Sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực phương án thay cụm bơm thủy lực ... 45
Hình 2. 22 Sơ đồ hệ thống hoạt động trong trường hợp phanh thu năng thủy lực ............. 46
Hình 2. 23 Trường hợp tái sử dụng hỗ trợ di chuyển .......................................................... 46
Hình 2. 24 Sơ đồ trường hợp hỗ trợ cơ cấu nâng ben thủy lực ........................................... 47
Hình 2. 25 Trường hợp bổ sung năng lượng nâng ben thủy lực ......................................... 47
Hình 2. 26 Trường hợp xả dầu về thùng chứa..................................................................... 48
Hình 2. 27 Sơ đồ các thành phần lực tác dụng lên xe khi tăng tăng tốc trên đường nằm
ngang ................................................................................................................................... 48
Hình 2. 28 Sơ đồ phối trộn công suất động cơ với công suất từ bình áp năng cấp đến bánh
xe.......................................................................................................................................... 50
Hình 2. 29 – Trạng thái hoạt động của bình áp năng trong quá trình xả ........................... 53
Hình 3. 1 Lưu đồ tính toán các thông số trong quá trình phanh thu năng lượng động năng
............................................................................................................................................. 56
Hình 3. 2 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và
trường hợp phanh khẩn cấp ................................................................................................ 57
Hình 3. 3 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và
trường hợp phanh khẩn cấp ................................................................................................ 58
Hình 3. 4 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống
thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp............................................................................. 58
Hình 3. 5 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu
năng và trường hợp phanh khẩn cấp ................................................................................... 58
Hình 3. 6 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống
thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp............................................................................. 59
Hình 3. 7 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp bằng
hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp .............................................................. 59
Hình 3. 8 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ................. 61
Hình 3. 9 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau.................. 61
Hình 3. 10 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 61
Hình 3. 11 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 62
Hình 3. 12 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 62
Hình 3. 13 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 62
ix
Hình 3. 14 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 63
Hình 3. 15 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau
............................................................................................................................................. 63
Hình 3. 16 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp pgo
khác nhau............................................................................................................................. 63
Hình 3. 17 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh trường hợp pgo khác
nhau ..................................................................................................................................... 64
Hình 3. 18 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác
nhau tương ứng các tay số................................................................................................... 66
Hình 3. 19 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác
nhau tương ứng các tay số................................................................................................... 66
Hình 3. 20 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh
ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 67
Hình 3. 21 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu ở vận tốc phanh ban đầu
khác nhau tương ứng các tay số .......................................................................................... 67
Hình 3. 22 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh
ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 67
Hình 3. 23 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh
ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 68
Hình 3. 24 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc
phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ................................................................. 68
Hình 3. 25 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh thu năng ở vận
tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ........................................................... 68
Hình 3. 26 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh
ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 69
Hình 3. 27 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc
phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ................................................................. 69
Hình 3. 28 Biểu đồ giá trị tốc độ bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng trường
hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ........................................................................ 72
Hình 3. 29 Biểu đồ giá trị mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng
trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 72
Hình 3. 30 Biểu đồ giá trị lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng
trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 73
Hình 3. 31 Biểu đồ giá trị thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng
lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg .................................................. 73
x
Hình 3. 32 Biểu đồ giá trị áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng trường hợp
khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................................... 73
Hình 3. 33 Biểu đồ giá trị năng lượng thu được Ea trong quá trình phanh thu năng lượng
trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 74
Hình 3. 34 Biểu đồ miền giá vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe vo =30km/h,
pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ........................................................... 74
Hình 3. 35 Biểu đồ giá trị gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở vo =30km/h,
pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ........................................................... 74
Hình 3. 36 Biểu đồ giá trị mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng lượng
xe ở vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................... 75
Hình 3. 37 Biểu đồ giá trị quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở
vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ...................................... 75
Hình 3. 38 Biểu đồ tốc độ bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 76
Hình 3. 39 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 77
Hình 3. 40 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 77
Hình 3. 41 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng lượng xe
lưu lượng riêng dp khác nhau. ............................................................................................. 77
Hình 3. 42 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 78
Hình 3. 43 Biểu đồ năng lượng thu được Ea trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu
lượng riêng dp khác nhau .................................................................................................... 78
Hình 3. 44 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp
khác nhau............................................................................................................................. 78
Hình 3. 45 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp
khác nhau............................................................................................................................. 79
Hình 3. 46 Biểu đồ quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng
riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 79
Hình 3. 47 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng lượng lưu
lượng riêng dp khác nhau .................................................................................................... 79
Hình 3. 48 Lưu đồ qui trình tính toán quá trình tái sử dụng năng lượng .......................... 81
Hình 3. 49 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp dm khác nhau .................................................... 82
Hình 3. 50 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp dm khác nhau ..................................................... 82
Hình 3. 51 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp dm khác nhau .......................... 83
xi
Hình 3. 52 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp dm khác nhau .................................. 83
Hình 3. 53 Biểu đồ mô men mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau................................ 83
Hình 3. 54 Biểu đồ tốc độ mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau .................................. 84
Hình 3. 55 Biểu đồ tốc lực kéo trường hợp dm khác nhau ................................................... 84
Hình 3. 56 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau ... 84
Hình 3. 57 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp pga khác nhau ................................................... 86
Hình 3. 58 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp pga khác nhau .................................................... 86
Hình 3. 59 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp pga khác nhau ......................... 86
Hình 3. 60 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp pga khác nhau .................................. 87
Hình 3. 61 Biểu đồ mô men mô tơ trường hợp pga khác nhau ............................................. 87
Hình 3. 62 Biểu đồ tốc độ mô tơ trường hợp pga khác nhau................................................ 87
Hình 3. 63 Biểu đồ lực kéo trường hợp pga khác nhau ........................................................ 88
Hình 3. 64 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp pga khác nhau .. 88
Hình 4. 1 Xe chuyên dùng thu gom chở rác 2,5 tấn làm sử dụng mô hình nghiên cứu....... 91
Hình 4. 2 Ảnh bơm bánh răng thủy lực trên xe ................................................................... 92
Hình 4. 3 Ảnh van thủy lực điều khiển ................................................................................ 92
Hình 4. 4 Ảnh thiết bị đồ hồ đo áp suất, cảm biến thủy lực và công tắc áp suất trên hệ thống
............................................................................................................................................. 92
Hình 4. 5 Ảnh thùng chứa dầu thủy lực và nguồn điện ắc quy ........................................... 92
Hình 4. 6 Ảnh bộ điều khiển sử dụng mạch Arduino Uno R3 gắn trên ca bin xe ............... 93
Hình 4. 7 Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình hệ thống thu năng thủy lực ..................... 94
Hình 4. 8 Sơ đồ cấu trúc đo vận tốc xe trên mô hình thí nghiệm xe chuyên dùng. ............. 94
Hình 4. 9 Sơ đồ cấu trúc đo áp suất bình áp năng thủy khí trên mô hình thí nghiệm xe chuyên
dùng ..................................................................................................................................... 95
Hình 4. 10 Biểu đồ quá trình giảm tốc độ trong quá trình phanh xe thu năng lượng xe chạy
ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau................................................................................... 97
Hình 4. 11 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe thu năng lượng
với vận tốc phanh ban đầu vo=30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau. ..... 97
Hình 4. 12 Biểu đồ thể tích dầu thu được trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận
tốc phanh ban đầu vo=30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau. .................. 98
Hình 4. 13 Biểu đồ tỉ lệ thu năng trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận tốc phanh
ban đầu vo=30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau. ................................... 98
Hình 4. 14 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe thu năng lượng
theo tay số và vận tốc phanh ban đầu vo tương ứng, áp suất pgo = 85(bar). ...................... 99
xii
Hình 4. 15 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng theo tay số và vận tốc
phanh ban đầu vo tương ứng, áp suất pgo = 85(bar). ........................................................ 100
Hình 4. 16 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo các
tay số và vận tốc phanh ban đầu vo tương ứng.................................................................. 100
Hình 4. 17 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng Ev(J)
ở vo ban đầu tương ứng. .................................................................................................... 101
Hình 4. 18 Biểu vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng ở 2 trường hợp khối lượng
khác nhau........................................................................................................................... 102
Hình 4. 19 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng Ev(J)
ở vo ban đầu tương ứng. .................................................................................................... 102
Hình 4. 20 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo
trường hợp khối lượng xe thay đổi .................................................................................... 103
Hình 4. 21 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) ở các trường hợp thay
đổi khối lượng xe. .............................................................................................................. 103
xiii
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Hiện nay, năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt [1], để phát triển bền
vững kinh tế, cũng như bảo vệ môi trường là yêu cầu cấp bách đối với mọi quốc gia.
Ngày 25 tháng 11 năm 2015 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định phê duyệt
Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm
2050. Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng, cũng như khai thác các nguồn năng lượng tái tạo
đang được ưu tiên phát triển ở nước ta hiện nay [2].
Hiện nay xe chuyên dùng sử dụng thu gom chở rác ở nước ta với số lượng lớn [3], hệ
thống phanh của dòng xe này đang sử dụng thường là hệ thống phanh dạng ma sát, trong quá
trình phanh hãm xe, hệ thống phanh kiểu này thực hiện biến đổi động năng của xe sang nhiệt
năng, tiêu tán ra môi trường xung quanh, không được thu hồi, hơn nữa do đặc điểm khai thác
mà dòng xe này có tần xuất phanh dừng cao, công suất phanh lớn, dẫn đến sự lãng phí năng
lượng, ngoài ra còn sản sinh ra lượng khí phát thải lớn gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên để
thay thế hết các dòng xe đang lưu hành này trong điều kiện kinh tế khó khăn ở nước ta là một
công việc khó khăn, do đó hướng nghiên cứu để phát triển một hệ thống phanh thu năng thủy
lực trên các dòng xe chuyên dùng thu gom chở rác cần được đặt ra.
Nhằm hướng đến phát triển một hệ thống phanh có khả năng khai thác, thu năng lượng
động năng trên xe chuyên dùng thu gom chở rác, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công
nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh
xe cơ giới” là nội dung nghiên cứu trong luận án.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề xuất cấu hình một hệ thống thủy lực có khả năng thu hồi năng lượng động năng khi
phanh xe chuyên dùng thu gom rác tải trọng 2,5 tấn;
Từ cấu hình đề xuất, nghiên cứu đánh giá khả năng phanh thu năng lượng động năng
của hệ thống phanh như một hàm số của các thông số vận hành như: tốc độ xe theo các tay số,
khối lượng xe và thông số áp suất bình áp năng thủy lực.
3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Xe chuyên dùng thu gom chở rác loại nhẹ sử dụng hộp số sàn có
gắn hộp chia công suất.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỉ lệ thu năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử
dụng bình áp năng lắp kết nối với hộp chia công suất trên xe chuyên dùng thu gom chở rác
loại 2,5 tấn di chuyển ở vùng đồng bằng.
Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp
với nghiên cứu thực nghiệm vật lý có tham khảo các kết quả nghiên cứu ở trong nước và quốc
tế:
1
+ Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình lý thuyết phù hợp với môi trường Matlab-Simulink
được xây dựng để khảo sát, nghiên cứu các đặc tính của xe và hệ thống, tính toán và lựa chọn
phần tử hệ thống phanh thu năng thủy lực.
+ Nghiên cứu thực nghiệm: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn, chế tạo, lắp đặt và thử
nghiệm. Các đặc tính được đánh giá và so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đã vận dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để chỉ rõ cụ thể
phương pháp phanh thu năng lượng động năng trong quá trình phanh xe chuyên dùng thu gom
rác bằng hệ thống truyền động thủy lực, năng lượng thu được tích trữ vào bình áp năng thủy
lực, năng lượng thu sẽ được tái sử dụng trên chính phương tiện xe đó.
Công nghệ phanh thu năng lượng động năng xe cơ giới ngày càng được sử dụng rộng
rãi ở nhiều nước, tuy nhiên ở nước ta nghiên cứu về công nghệ này còn hạn chế, do đó nội
dung nghiên cứu của luận án góp phần vào kho nguồn tài liệu bổ trợ cho các nhà sản xuất xe
chuyên dùng ở nước ta, thúc đẩy sự phát triển hệ thống phanh thu động năng bằng hệ thống
truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng thủy lực lắp trên dòng xe chuyên dùng thu gom
rác.
5. Các điểm mới của luận án đạt được
Đề xuất được cấu hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền
động thủy lực lắp đặt trên xe chuyên dùng thu gom chở rác tải trọng 2,5 tấn;
Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống phanh thu năng lượng động
năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác
2,5 tấn;
Đánh giá tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu
gom rác loại 2,5 tấn theo chế độ vận hành xe như: thay đổi tay số truyền - vận tốc xe, áp suất
bình áp năng thủy lực và khối lượng xe.
Có thể vận dụng khai thác động năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực kết nối với
hộp chia công suất trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn và dòng xe chuyên
dùng có tính năng tương đương.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm:
MỞ ĐẦU
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Chương 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC
Chương 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
2
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Năng lượng động năng xe cơ giới
Tập đoàn dầu khí BP của Anh đánh giá [1] với tốc độ khai thác dầu mỏ như năm 2016
thì trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ để khai thác trong khoảng thời gian 50 năm nữa,
điều này cảnh báo chúng ta về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và nhân loại phải khẩn
chương tìm và tận dụng cũng như khai thác các nguồn năng lượng khác thay thế để tồn tại và
phát triển bền vững.
Việc tận dụng khai thác năng lượng động năng ở các vật chuyển động đã, đang và sẽ là
một vấn đề được nghiên cứu rộng rãi.
Động năng của một vật là năng lượng mà nó có được từ chuyển động của nó, động năng
cũng được định nghĩa là công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ
trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện thời của nó, sau khi đạt được năng lượng này bởi gia tốc của
nó, vật sẽ duy trì động năng này trừ khi tốc độ của nó thay đổi [4].
Theo lý thuyết cơ học cổ điển đã chỉ ra động năng là một đại lượng vô hướng và được
xác định như sau [4]:
Đối với vật chuyển động tịnh tiến động năng được xác định bởi phương trình:
m.v2
Ekt
2
(1.1)
Trong đó:
Ekt – động năng của vật chuyển động tịnh tiến (J)
m – khối lượng của vật (kg)
v – vận tốc của vật (m/s)
Đối với vật chuyển động quay động năng được xác định:
Ekq
Jqt .2
2
(1.2)
Trong đó:
Jqt – mô men quán tính của vật chuyển động quay (kgm2)
- vận tốc góc của vật đang chuyển động quay (rad/s)
Nếu vật chuyển động cả tịnh tiến và quay thì động năng được xác định:
E E kt E kq
3
(1.3)
Như vậy, xung quang ta các phương tiện giao thông vận tải trong quá trình di chuyển
xem ra luôn có động năng đáng kể?
1,600
1,400
Năng lượng (KJ)
1,200
1,000
800
600
400
200
0
10
20
30
40
50
Vận tốc (km/h)
Xe con 1600 (kg)
Xe buýt 8000 (kg)
Xe mô tô 300 (kg)
60
70
80
Xe tải 5000 (kg)
Xe chở rác 14000 (kg)
Hình 1. 1 Đồ thị quan hệ động năng (E) với khối lượng (m) và vận tốc (v) của một số xe cơ giới
Nếu coi mỗi phương tiện xe cơ giới là một vật chuyển động tịnh tiến, ta có thể xây dựng
được biểu đồ động năng ở một số loại xe với khối lượng khác nhau và vận tốc khác nhau theo
như Hình 1.1. Nhận thấy với mỗi dòng xe trong quá trình di chuyển đều có được một nguồn
năng lượng ở một vận tốc nhất định: Động năng của xe thu gom rác với khối lượng 14000kg
có nguồn năng lượng lớn Ekt 1350kJ khi di chuyển ở vận tốc 50km/h, loại xe buýt với khối
lượng 8500 kg có nguồn năng lượng Ekt1180kJ ở vận tốc 60km/h, loại xe tải khối lượng
5000kg có năng lượng động năng Ekt 694kJ ở vận tốc 60km/h, loại xe con khối lượng 1600kg
có năng lượng động năng Ekt 395kJ ở vận tốc 80km/h và loại xe mô tô khối 300kg có nguồn
E 41kJ ở vận tốc 60km/h. Với số lượng phương tiện xe cơ giới hiện đang lưu hành ở nước
ta là hơn 2,5 triệu [3], cùng hàng triệu xe máy [5] thì đây là nguồn năng lượng lớn.
Chính vì nguồn năng lượng tiềm năng này mà nghiên cứu thu hồi năng lượng động năng
để tái sử dụng đã và đang là đề tài thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học và các nhà sản
xuất phương tiện xe cơ giới hiện nay.
4
1.2.
Hệ thống phanh trên xe cơ giới
Như đã biết muốn giảm vận tốc xe ta phải giảm động năng của xe, bộ phận có nhiệm vụ
biến đổi phần lớn động năng của xe chính là hệ thống phanh. Nếu xét theo yếu tố thu năng
lượng thì hệ thống phanh trên xe có thể chia thành 2 loại chính sau:
-
Hệ thống phanh thường.
-
Hệ thống phanh tái sinh.
1.2.1. Hệ thống phanh thường
Hệ thống phanh thường là hệ thống phanh ma sát lắp trên các phương tiện xe cơ giới,
hệ thống sử dụng các tấm ma sát gắn ở các cơ cấu phanh để phanh hãm hay dừng đỗ xe [6],
điển hình như hệ thống phanh sử dụng cơ cấu phanh loại phanh tang trống ví dụ như trên Hình
1.2 và phanh loại đĩa ví dụ như trên Hình 1.3.
Đối với hệ thống phanh sử dụng cơ cấu phanh ma sát loại tang trống hay cơ cấu phanh
ma sát loại đĩa, trong quá trình giảm tốc xe cơ cấu phanh loại này có nhiệm vụ biến đổi năng
lượng động năng thành nhiệt năng [6], nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh cơ cấu phanh.
Do vậy đối với xe cơ giới nếu chỉ sử dụng hệ thống phanh dạng này thì năng lượng động năng
đang bị lãng phí.
Hình 1. 2 Sơ đồ cơ cấu phanh ma sát loại tang trống (nguồn - [7])
2- Guốc phanh; 4-Má phanh; 5-Lò xo hồi vị; 6-Xi lanh phanh; 7-Gối tỳ; 8- Van xả e; 9-Trống
phanh; 10 -Thanh néo; 11- lò xo giữ; 12- Đường dầu phanh.
Hình 1. 3 Cơ cấu phanh ma sát loại đĩa (nguồn - [8])
5
1.2.2. Hệ thống phanh thu năng lượng động năng
Hệ thống phanh thu năng lượng động năng, còn gọi là hệ thống phanh tái sinh Regenerative Braking System (BRS) [9] [10] được hiểu là hệ thống phanh thay vì biến đổi
động năng thành nhiệt năng thì hệ thống phanh này có khả năng thu và tích trữ năng lượng.
Theo phương pháp chuyển đổi và tích trữ năng lượng thu được chúng ta có thể có các
hệ thống phanh tái sinh như sau:
- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang điện năng;
- Hệ thống phanh biến đổi động năng xe sang động năng dạng chuyển động quay bánh
đà;
- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang thế năng đàn hồi của lò xo;
- Hệ thống phanh biến đổi động năng sang áp năng thủy lực.
Với phương tiện xe cơ giới nếu được sử dụng hệ thống phanh loại này, có một số ưu và
nhược điểm như sau:
Ưu điểm của hệ thống phanh tái sinh
- Tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu trên phương tiện [11] [10] [12]. Vì năng lượng động
năng của xe được thu lại, sau đó có thể tái sử dụng lại cho xe, do đó nó góp phần làm giảm
phụ thuộc vào năng lượng từ nhiên liệu trên xe, giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng hiệu quả sử
dụng nhiên liệu.
- Giảm sự hao mòn ở động cơ [10] [11]. Vì xe sử dụng thêm năng lượng từ nguồn tích
trữ thu được trong quá trình phanh thu năng, do đó xe giảm sự phụ thuộc vào năng lượng nhận
từ động cơ, làm giảm sự làm việc của động cơ qua đó góp phần làm giảm sự hao mòn ở động
cơ, góp phần tăng tuổi thọ động cơ.
- Trong trường hợp trên xe lắp đặt cả hệ thống phanh thường và phanh tái sinh, nó giúp
giảm được sự hao mòn trên hệ thống phanh thường [11] [10], giảm chi phí sửa chữa thay thế
chi tiết má phanh, tăng tuổi thọ của hệ thống phanh thường trên ô tô. Vì sử dụng hệ thống
phanh tái sinh trong quá trình phanh, do đó hệ thống phanh thường trên xe sẽ được giảm tần
suất sử dụng, qua đó làm kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh thường, giảm chi phí thay thế
sửa chữa má phanh.
- Giảm phát thải từ động cơ, do giảm hoạt động tăng tốc của động cơ và giảm tổng thời
gian làm việc của động cơ [11]. Do trên xe sử dụng thêm nguồn năng lượng thu được từ quá
trình phanh tái sinh do đó nguồn năng lượng cung cấp từ động cơ sẽ được giảm, mặt khác
trong quá trình phối trộn công suất từ nguồn động cơ đốt trong và nguồn năng lượng tích trữ,
có thể tối ưu [13] quá trình phối trộn hai nguồn năng lượng này để đảm bảo cho động cơ hoạt
6
động hiệu quả nhất trong vùng hoạt động để có lượng phát khí thải thấp nhất. Vì vậy sử dụng
hệ thống phanh tái sinh góp phần giảm phát thải từ động cơ.
Nhược điểm của hệ thống phanh tái sinh
So với xe chỉ sử dụng hệ thống phanh thường thì xe sử dụng hệ thống phanh tái sinh có
một số nhược điểm như sau:
- Yêu cầu cao về công nghệ, giá thành cao hơn [10]. Để chế tạo hệ thống phanh tái sinh
đòi hỏi cao về công nghệ vì vậy mà giá thành đầu tư ban đầu trên xe loại này hiện còn cao và
chưa phổ biến, tuy nhiên do nhu cầu sử dụng cao vì vậy nhược điểm này sẽ trở thành động
lực thúc đẩy nền sản xuất công nghiệp;
- Tăng khối lượng xe [10], trong trường hợp hệ thống phanh tái sinh phát triển cải tiến
trên xe có sẵn, nên khối lượng xe có thể tăng, tuy nhiên tỉ lệ tăng không nhiều, mặt khác nếu
hệ thống phanh này được phát triển đồng bộ cùng với các hệ thống khác trên xe thì nhược
điểm này sẽ được khắc phục.
1.2.2.1. Hệ thống phanh biến động năng thành điện năng
Hệ thống phanh tái sinh loại này sử dụng ắc qui điện hay pin điện [14] [15] ở hệ thống
này khi phanh hãm xe, động năng của xe được chuyển sang dùng để hoạt động máy phát điện,
trong quá trình phanh hãm xe khi đó điện năng được tạo ra, điện năng được tích trữ ở ắc qui
điện hay pin điện, khi tái sử dụng lại thì điện năng được dùng để chạy mô tơ điện hay các thiết
bị điện trên xe, hiện nay loại phanh này cũng đã và đang phát triển, nó thường được sử dụng
trên các dòng xe lai điện Hybrid electric vehicle (HEV) [14] [16] [15] [17].
Ưu điểm của hệ thống phanh loại này là tạo ra năng lượng điện năng, loại năng lượng
có mục đích sử dụng khá đa dạng vì trên xe có nhiều thiết bị điện được sử dụng, tuy nhiên hạn
chế của loại này là do công suất riêng tích trữ bằng ắc quy thấp hơn so với bình áp năng thủy
lực do vậy phạm vi ứng dụng bị hạn chế ở phương tiện có tải trọng lớn, công suất phanh lớn,
mặt khác công nghệ này có độ phức tạp cao [10], trong trường hợp sử dụng pin loại tụ điện
mặc dù công suất riêng có tăng lên, tuy nhiên giá thành loại này đắt hơn nhiều loại khác.
1.2.2.2. Hệ thống phanh chuyển động năng sang động năng chuyển động quay
Hệ thống phanh tái sinh sử dụng bánh đà, trong phương pháp này khi phanh hãm động
năng của xe cơ giới, động năng được chuyển sang tích trữ ở dạng động năng chuyển động
quay của bánh đà, khi tái sử dụng thì động năng chuyển động quay của bánh đà lại được
chuyển sang động năng hỗ trợ di chuyển xe. Hệ thống phanh loại này, điển hình có công nghệ
hệ thống thu năng lượng động năng bằng bánh đà của hãng Volvo (Thụy Điển) – Flywheel
kinetic energy recovery system (Flywheel-KERS) [18] [19] [20]. Hệ thống phanh dạng này
đã được ứng dụng trên xe đua công thức 1 [18] [19] .
7
Ưu điểm của hệ thống phanh dạng này, thuộc nhóm có năng lượng riêng và công suất
riêng cao [21].
Nhược điểm của hệ thống phanh loại này, yêu cầu cao về công nghệ chế tạo, mặt khác
để điều chỉnh quan hệ vận tốc góc của bánh đà và tốc độ trong quá trình phanh cho phù hợp
thì hệ thống đã sử dụng cụm biến tốc cũng đòi hỏi yêu cầu cao về công nghệ chế tạo.
1.2.2.3. Hệ thống phanh biến động năng sang thế năng đàn hồi của lò xo
Hệ thống phanh tái sinh sử dụng lò xo [10] [22] trong phương pháp này khi phanh hãm
sử dụng lò xo dạng lá, động năng của xe được chuyển sang thế năng đàn hồi của lò xo, để tái
sử dụng thì thế năng của lò xo được giải phóng và chuyển sang động năng cho xe di chuyển,
nhược điểm của hệ thống loại này là khả năng tích trữ năng lượng thấp [10], công nghệ này
đến nay chưa được áp dụng trên xe ô tô.
1.2.2.4. Hệ thống phanh biến động năng thành áp năng thủy lực
Hệ thống phanh tái sinh sử dụng bình tích áp thủy lực, theo phương pháp tích áp năng
thủy lực có các loại như (Hình 1.4): Loại bình tích áp sử dụng bóng khí (chủ yếu là khí ni tơ
[23]), loại bình tích áp năng sử dụng piston - lò xo và loại bình tích áp sử dụng tải đối trọng.
Do đặc điểm của phân tử khí ni tơ trong điều kiện áp suất khí quyển là khí trơ [24], do vậy
trong điều kiện sử dụng này, bình tích áp năng thủy lực bóng khí ni tơ thường được sử dụng
hơn.
Hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng
bình tích áp năng thủy lực bóng khí, sau đây luận án gọi tắt là hệ thống phanh thu năng thủy
lực.
a
b
c
Hình 1. 4 Bình tích áp năng thủy lực
(a – loại sử dụng bóng khí; b -loại sử dụng lò xo; c- loại sử dụng chất tải)
Hiện nay, hệ thống phanh thu năng thủy lực thường được tích hợp trên các xe lai thủy lực
- Hybrid Hydraulic Vehicle (HHV), xe lai thủy lực là kiểu xe sử dụng nguồn động lực kết hợp
năng lượng động cơ đốt trong và năng lượng áp năng thủy lực [25].
8
