Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 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.1) 2 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: Jqt .2) 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 (1.3) 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 1,200 Năng lượng (KJ) 1,000 800 600 400 200 - 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Vận tốc (km/h) Xe con 1600 (kg) Xe tải 5000 (kg) Xe buýt 8000 (kg) Xe chở rác 14000 (kg) Xe mô tô 300 (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. 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. 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. 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. 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.
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. 3 Cơ cấu phanh ma sát loại đĩa (nguồn - [8]) 5 1. 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. 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.