Tổng quan luận án
Tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống đặt ra yêu cầu cấp bách về tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu phát thải ô nhiễm môi trường. Theo đánh giá của tập đoàn dầu khí BP năm 2016, trữ lượng dầu mỏ trên thế giới với tốc độ khai thác hiện hành chỉ còn đủ đáp ứng trong khoảng thời gian 50 năm. Tại Việt Nam, Quyết định ngày 25 tháng 11 năm 2015 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 đã xác định ưu tiên khai thác các nguồn năng lượng mới và giải pháp tiết kiệm năng lượng. Trong lĩnh vực giao thông vận tải, cả nước có hơn 2,5 triệu phương tiện ô tô và hàng triệu xe máy đang lưu hành, mang nguồn động năng chuyển động rất lớn.
Đối với dòng ô tô chuyên dùng thu gom chở rác, đặc thù công tác đòi hỏi phương tiện phải dừng đỗ liên tục tại nhiều điểm tập kết trên hành trình di chuyển để bốc dỡ rác thải. Quá trình vận hành này tạo ra tần suất phanh dừng rất cao và công suất phanh lớn. Phần lớn xe chuyên dùng thu gom rác đang lưu hành ở nước ta chỉ sử dụng hệ thống phanh ma sát truyền thống (loại tang trống hoặc phanh đĩa). Khi phanh hãm, toàn bộ động năng của xe bị biến đổi thành nhiệt năng tiêu tán ra môi trường xung quanh, không được thu hồi, dẫn đến lãng phí nhiên liệu và gia tăng lượng khí phát thải độc hại. Do điều kiện kinh tế khó khăn, việc thay thế toàn bộ đội xe hiện hữu bằng các dòng xe công nghệ mới là thách thức lớn.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: Các nghiên cứu phanh tái sinh trong nước trước đây chủ yếu tập trung vào chuyển hóa động năng thành điện năng trên mô hình lý thuyết hoặc xe du lịch; chưa có công trình nghiên cứu thực nghiệm nào được công bố về việc thiết kế, tích hợp hệ thống phanh thu hồi động năng bằng truyền động thủy lực thông qua hộp trích công suất (Power Take-Off - PTO) trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác tại Việt Nam.
Luận án xác định hai mục đích nghiên cứu cụ thể:
- 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.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Đối tượng nghiên cứu: Xe chuyên dùng thu gom chở rác loại nhẹ sử dụng hộp số sàn có gắn hộp chia công suất (PTO).
- 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 (trên mặt đường nằm ngang).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án hệ thống hóa các hướng nghiên cứu công nghệ thu hồi năng lượng khi phanh xe cơ giới trên thế giới và tại Việt Nam:
Trên thế giới, các hệ thống phanh tái sinh thủy lực đã phát triển qua nhiều giai đoạn với các cấu hình truyền động khác nhau:
- Tập đoàn Parker (Mỹ): Năm 1982 giới thiệu hệ thống Cumulo Brake Energy Drive (CBED) dạng truyền động thủy lực song song (PHHV), giúp tiết kiệm 10–25% mức tiêu thụ nhiên liệu. Năm 1993, hãng tiếp tục phát triển hệ thống Cumulo Hydrostatic Drive (CHD) dạng truyền động thủy lực nối tiếp (SHHV), tiết kiệm 20–40% nhiên liệu. Sau đó, tập đoàn phát triển dòng Parker Advanced Series Hydraulic Hybrid kết hợp song song và nối tiếp (PSHHV), ghi nhận khả năng tiết kiệm từ 35–50% nhiên liệu so với xe thông thường.
- Tập đoàn Eaton (Mỹ): Năm 2002 phát triển hệ thống Hydraulic Launch Assist (HLA) ứng dụng trên xe lai thủy lực thu gom rác, giúp tiết kiệm 15–30% lượng nhiên liệu tiêu thụ.
- Tập đoàn Bosch Rexroth (Đức): Tháng 9/2008 giới thiệu hệ thống phanh tái sinh thủy lực Hydrostatic Regenerative Braking (HRB/HRBS) lắp trên xe thu gom rác cỡ lớn, thử nghiệm thành công tại hơn 10 thành phố ở Đức và Mỹ, ghi nhận mức giảm tiêu hao nhiên liệu tới 25%.
- Công ty Innovative Transport Solutions Pty Ltd (Australia): Năm 2011 giới thiệu hệ thống Hydraulic Drive Assist (HDA) trên xe thu gom rác và xe buýt, giảm đến 25% mức tiêu thụ nhiên liệu.
- Tài liệu quốc tế phân tích tỉ lệ năng lượng phanh so với tổng động năng chỉ ra rằng: với hiệu suất truyền động thủy lực đạt 80%, tỉ lệ thu năng chu trình $\alpha_{ct}$ có thể đạt 40% trên xe bưu phẩm (Delivery), 52% trên xe buýt, 47,2% trên xe chở rác (Refuse) và 14,4% trên xe đầu kéo (Class 8).
Tại Việt Nam, các nghiên cứu công bố về phanh tái sinh còn hạn chế:
- Nhóm tác giả Phạm Văn Dương, Lê Văn Tụy, Phạm Quốc Thái (Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng, 2008) nghiên cứu "Thiết kế hệ thống tái sinh năng lượng tận dụng quán tính cho ô tô hybrid bốn chỗ", sử dụng cơ cấu bánh đà chuyển đổi sang điện năng.
- Nhóm tác giả Dương Tuấn Tùng, Đỗ Văn Dũng, Nguyễn Trường Thịnh, Huỳnh Hữu Phúc (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và Công ty VMEP Việt Nam, 2015) nghiên cứu thực nghiệm bộ thu hồi năng lượng tái tạo khi phanh biến động năng thành điện năng lắp trên hệ thống truyền lực truyền thống.
- TS. Trương Văn Thuận (2016) công bố kết quả mô phỏng số xe lai thủy lực song song hạng nhẹ (1,6 tấn) trên chu trình thử FTP75, cho thấy tiềm năng tiết kiệm 22,39% nhiên liệu so với xe truyền thống.
- Bài báo trên trang thông tin kỹ thuật (thuylucducanh.vn, 2017) giới thiệu tổng quan hệ thống truyền động thủy lực - hybrid.
| Hệ thống / Công trình |
Tác giả / Tổ chức |
Năm công bố |
Dạng cấu hình |
Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu / Tỉ lệ thu năng |
| CBED |
Tập đoàn Parker (Mỹ) |
1982 |
Thủy lực song song (PHHV) |
Tiết kiệm 10–25% nhiên liệu |
| CHD |
Tập đoàn Parker (Mỹ) |
1993 |
Thủy lực nối tiếp (SHHV) |
Tiết kiệm 20–40% nhiên liệu |
| Parker Advanced Series |
Tập đoàn Parker (Mỹ) |
- |
Truyền động hỗn hợp (PSHHV) |
Tiết kiệm 35–50% nhiên liệu |
| HLA |
Tập đoàn Eaton (Mỹ) |
2002 |
Thủy lực hỗ trợ khởi hành |
Tiết kiệm 15–30% nhiên liệu |
| HRB / HRBS |
Bosch Rexroth (Đức) |
2008 |
Thủy lực tái sinh trên xe rác |
Giảm đến 25% tiêu hao nhiên liệu |
| HDA |
Innovative Transport Solutions (Úc) |
2011 |
Thủy lực hỗ trợ dẫn động |
Giảm đến 25% tiêu hao nhiên liệu |
| Thu hồi quán tính ô tô 4 chỗ |
Phạm Văn Dương và cộng sự |
2008 |
Bánh đà chuyển đổi sang điện |
Tích trữ trên ô tô hybrid du lịch |
| Bộ thu hồi tái tạo khi phanh |
Dương Tuấn Tùng và cộng sự |
2015 |
Biến động năng sang điện năng |
Thực nghiệm trên truyền lực truyền thống |
| Mô phỏng xe lai song song |
Trương Văn Thuận |
2016 |
Mô phỏng chu trình FTP75 |
Tiết kiệm 22,39% nhiên liệu (xe 1,6 tấn) |
Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết: Luận án không đi theo hướng chuyển hóa điện năng hay tích cơ năng bánh đà, mà tập trung khai thác mật độ công suất cao của bình tích áp thủy khí bóng khí nitơ. Luận án kết nối trực tiếp cụm thủy lực vào hộp trích công suất (PTO) của hộp số sàn trên xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn sẵn có tại Việt Nam, giải quyết bài toán từ mô hình toán giải tích, mô phỏng số đến chế tạo và kiểm chứng thực nghiệm trực tiếp trên xe thật.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết, mô phỏng số trên môi trường Matlab - Simulink và nghiên cứu thực nghiệm vật lý trên phương tiện thực tế.
Cơ sở lý thuyết động lực học phanh trên đường nằm ngang được xây dựng từ phương trình cân bằng lực tổng quát:
$$P_j = P_{p1} + P_{p2} + P_{pp} + P_{r1} + P_{r2} + P_w + P_\eta$$
Trong đó:
- $P_j$: Lực quán tính sinh ra khi phanh, $P_j = \frac{G}{g} \delta \frac{dv}{dt}$. Hệ số $\delta$ tính đến ảnh hưởng của các khối lượng quay. Khi thực hiện phanh thu năng, ly hợp ngắt kết nối động cơ với hệ thống truyền lực, do đó mô men quán tính bánh đà động cơ $J_d = 0$.
- $P_{r1}, P_{r2}$: Lực cản lăn tại bánh trước và bánh sau, $P_r = P_{r1} + P_{r2} = f \cdot G$, với hệ số cản lăn mặt đường nhựa/bê tông tốt $f = 0,015 \div 0,018$.
- $P_{p1}, P_{p2}$: Lực phanh sinh ra ở bánh trước và bánh sau do hệ thống phanh ma sát cơ khí nguyên bản, xác định từ mô men phanh tang trống $M_p = 2 P' r_t C$ (với $C = 1,14 / (0,5 + \mu/2)$; khi hệ số ma sát $\mu = 0,35$ thì $C = 1,05$).
- $P_w$: Lực cản không khí, $P_w = K F v^2$ (hệ số cản khí động học xe tải $K = 0,6 \div 0,7$).
- $P_\eta$: Lực cản ma sát trong hệ thống truyền động.
- $P_{pp}$: Lực phanh sinh ra ở bánh xe chủ động (cầu sau) do hệ thống phanh thu năng thủy lực tạo ra:
$$P_{pp} = \frac{M_{bxp}}{r_{bx}} = \frac{i_{ptc} \cdot i_o \cdot M_p}{\eta_{trp} \cdot r_{bx}}$$
(với $i_{ptc}$ là tỷ số truyền từ trục bơm đến trục thứ cấp hộp số; $i_o$ là tỷ số truyền lực chính; $\eta_{trp}$ là hiệu suất truyền động cơ khí từ bánh xe đến trục bơm; $r_{bx}$ là bán kính làm việc của bánh xe).
Mô hình các phần tử thủy lực:
- Bơm thủy lực bánh răng có lưu lượng riêng cố định $d_p$: Mô men cản trên trục bơm là $M_p = \frac{d_p \cdot \Delta p_p}{2\pi \eta_{mp}}$, lưu lượng thực tế là $Q_p = \frac{d_p \cdot \omega_p \cdot \eta_{vp}}{2\pi}$ (với $\Delta p_p = p_{cr} - p_{cv}$ là chênh lệch áp suất giữa cửa ra và cửa vào; $\eta_{mp}, \eta_{vp}$ là hiệu suất cơ khí và hiệu suất thể tích).
- Đường ống thủy lực: Tính toán tổn thất áp suất dọc đường theo dòng chảy tầng ($\lambda = 64/Re$) và tổn thất cục bộ qua các cút nối, van điều khiển: $\Delta p_{lp} = p_{crb} - p_f$.
- Bình tích áp thủy lực bóng khí nitơ: Quá trình nén khí được giả thiết là quá trình biến đổi đoạn nhiệt ($k = 1,4$):
$$p_{ao} V_{ao}^k = p_{go} V_{go}^k = p_g V_g^k$$
Lượng dầu thực tế nạp vào bình là $V_f = V_{go} - V_g = \int Q_p dt$. Năng lượng tích trữ nạp vào bình áp năng được xác định qua công biến đổi thể tích khí nén:
$$E_a = \frac{p_{go} V_{go}}{k - 1} \left[ \left(\frac{V_g}{V_{go}}\right)^{1-k} - 1 \right]$$
- Chỉ tiêu đánh giá hiệu quả: Tỉ lệ thu năng đơn lẻ trong một lần phanh $\alpha$:
$$\alpha = \frac{E_a}{\Delta E_v} \times 100%$$
(với $\Delta E_v$ là lượng giảm động năng của xe trong quá trình phanh).
Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu:
- Thông số kỹ thuật của xe cơ sở: Xe chuyên dùng thu gom chở rác tải trọng 2,5 tấn do Công ty Cổ phần Công nghệ Ô tô Việt Nam sản xuất lắp ráp, trang bị hộp số sàn 5 cấp số tiến, 1 số lùi và hộp trích công suất PTO.
- Phần cứng điều khiển và thiết bị đo: Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3, cảm biến áp suất thủy lực, công tắc áp suất, cảm biến vị trí ly hợp (CL), cảm biến phanh (BR), cảm biến kết nối PTO (CLPTO), cảm biến tiệm cận đo tốc độ quay trục.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 1 phân tích cơ sở động học và động lực học của các phương tiện xe cơ giới đang lưu hành. Tác giả xây dựng đồ thị tương quan động năng $E$ theo vận tốc và khối lượng của các loại xe:
| Loại phương tiện |
Khối lượng khảo sát (kg) |
Vận tốc di chuyển (km/h) |
Động năng tương ứng (kJ) |
| Xe thu gom rác |
14.000 |
50 |
1.350 |
| Xe buýt |
8.500 |
60 |
1.180 |
| Xe tải |
5.000 |
60 |
694 |
| Xe con |
1.600 |
80 |
395 |
| Xe mô tô |
300 |
60 |
41 |
Chương này so sánh các giải pháp phanh tái sinh: biến đổi động năng sang điện năng, sang động năng quay của bánh đà (Flywheel-KERS của Volvo), sang thế năng đàn hồi của lò xo lá, và sang áp năng thủy lực bằng bình tích áp thủy khí. Luận án phân tích biểu đồ quan hệ giữa năng lượng riêng và công suất riêng, chứng minh bình tích áp thủy lực có công suất riêng (mật độ công suất) vượt trội so với ắc quy điện hóa, đặc biệt phù hợp cho các dòng xe có công suất phanh lớn. Dựa trên phân tích tần suất phanh và công suất phanh, xe thu gom rác được xác định là phương tiện có tần suất phanh dừng cao nhất và công suất phanh lớn nhất trong nhóm phương tiện giao thông đô thị. Chương 1 khép lại bằng việc tổng quan các hệ thống CBED, CHD, HLA, HRB, HDA trên thế giới và các công trình trong nước của Phạm Văn Dương, Dương Tuấn Tùng, Trương Văn Thuận, khẳng định tính cấp thiết của việc phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực kết nối PTO tại Việt Nam.
Chương 2: Mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực
Chương 2 so sánh hai phương án xây dựng mô hình thực nghiệm: Phương án 1 (đặt cố định trong phòng thí nghiệm dùng bánh đà quy đổi động năng theo nghiên cứu của Đại học Ulsan - Hàn Quốc) và Phương án 2 (thực hiện trực tiếp trên ô tô chuyên dùng thu gom rác sẵn có). Tác giả lựa chọn Phương án 2 nhằm phản ánh chính xác các yếu tố cản thực tế như lực cản lăn và lực cản khí động học.
Cấu hình hệ thống được thiết lập trên xe thu gom rác 2,5 tấn với các đặc điểm:
- Bơm thủy lực bánh răng được kết nối cơ khí với trục thứ cấp hộp số sàn thông qua hộp PTO.
- Hệ thống phanh cơ khí nguyên bản của xe được giữ nguyên để bảo đảm an toàn. Hành trình bàn đạp phanh được phân chia thành ba giai đoạn: đoạn AB là hành trình tự do; đoạn BC (hành trình dịch chuyển khoảng 3–5 mm) kích hoạt phanh thu năng thủy lực độc lập; đoạn CE là hành trình kết hợp đồng thời phanh thu năng thủy lực và phanh cơ khí thường.
- Hệ thống điều khiển tích hợp bộ vi điều khiển Arduino Uno R3 nhận tín hiệu từ công tắc bàn đạp ly hợp (CL), công tắc hành trình bàn đạp phanh (BR), cảm biến gài khớp PTO (CLPTO) và cảm biến áp suất bình áp năng ($p_{acc}$). Khi người lái đạp ly hợp, gài PTO, đạp phanh ở cung BC và áp suất $p_{acc} < p_{max}$, van điện từ V1 được kích hoạt để chuyển bơm từ chế độ quay không tải sang chế độ bơm nén dầu qua van một chiều vào bình tích áp thủy khí bóng nitơ.
- Thiết lập hệ thống phương trình vi phân mô tả chuyển động phanh xe, mô hình tính toán tổn thất áp suất đường ống dẫn dầu và phương trình nén đoạn nhiệt khí nitơ ($k=1,4$) xác định thể tích dầu nạp $V_f$ cùng năng lượng tích trữ $E_a$.
- Đề xuất và mô hình hóa các phương án tái sử dụng năng lượng: phương án cấp áp năng trực tiếp cho cơ cấu chuyên dùng nâng hạ ben thùng rác và phương án dùng mô tơ thủy lực hỗ trợ dẫn động tăng tốc xe.
Chương 3: Khảo sát hệ thống phanh thu năng thủy lực
Chương 3 xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống phanh thu năng và hỗ trợ tăng tốc trên môi trường Matlab - Simulink. Các kịch bản khảo sát mô phỏng tập trung phân tích các thông số vận hành:
- Khảo sát so sánh giữa phanh khẩn cấp (bằng hệ thống phanh cơ khí) và phanh bằng 100% hệ thống phanh thu năng thủy lực: Kết quả cho thấy phanh thu năng thủy lực tạo ra quá trình giảm tốc êm dịu, không bị giật cục, áp suất bình tích áp và năng lượng tích trữ tăng dần theo thời gian phanh.
- Khảo sát ảnh hưởng của mức áp suất làm việc ban đầu của bình tích năng ($p_{go}$): Áp suất $p_{go}$ cao làm tăng áp lực cản ban đầu của bơm thủy lực, mô men phanh tạo ra lớn hơn, làm giảm thời gian phanh và quãng đường phanh nhưng làm giảm thể tích dầu nạp tối đa vào bình.
- Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu ($v_o$) tương ứng với các cấp số truyền (từ số 1 đến số 5 của hộp số sàn): Vận tốc phanh ban đầu càng cao, động năng ban đầu của phương tiện càng lớn, dẫn đến thể tích dầu thủy lực đẩy vào bình áp năng và năng lượng tích trữ $E_a$ đạt được càng cao.
- Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng toàn bộ xe ($m = 1800$ kg, $2400$ kg, $3000$ kg): Xe có khối lượng lớn hơn mang động năng lớn hơn, dẫn đến thời gian phanh kéo dài hơn, lượng dầu nạp vào bình nhiều hơn và áp suất cuối quá trình phanh cao hơn.
- Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng bơm thủy lực ($d_p$): Lưu lượng riêng lớn làm tăng nhanh lưu lượng chất lỏng vào bình áp năng, mô men cản tăng nhanh, rút ngắn quãng đường phanh.
- Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng hỗ trợ tăng tốc xe: Mô phỏng sự phối trộn công suất khi xả dầu áp cao từ bình tích áp qua mô tơ thủy lực có lưu lượng riêng $d_m$ khác nhau và các mức áp suất xả $p_{ga}$ khác nhau, xác định được mức cải thiện gia tốc và quãng đường khởi hành của xe.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 trình bày nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng trên xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn thực tế:
- Bố trí thí nghiệm: Lắp đặt bơm thủy lực bánh răng, van phân phối điện từ, cụm van một chiều, van an toàn, bình tích áp thủy khí, cảm biến áp suất chất lỏng, cảm biến tiệm cận đo tốc độ quay trục, thùng dầu và bộ điều khiển Arduino Uno R3 đặt trong ca-bin phương tiện.
- Quy trình thực nghiệm: Tiến hành thử nghiệm phanh xe trên đường nằm ngang phẳng theo quy hoạch thực nghiệm:
- Thực nghiệm 1: Khảo sát ảnh hưởng của áp suất làm việc ban đầu $p_{go}$ (với 3 mức áp suất) khi xe chạy ở tay số 3, vận tốc ban đầu $v_o = 30$ km/h. Ghi nhận sự biến thiên của tốc độ giảm tốc, đường cong tăng áp suất, thể tích dầu thu hồi và tỉ lệ thu năng $\alpha$.
- Thực nghiệm 2: Khảo sát phanh thu năng theo các mức vận tốc ban đầu $v_o$ khác nhau tương ứng với các tay số gài trên hộp số sàn ở mức áp suất ban đầu cố định $p_{go} = 85$ bar.
- Thực nghiệm 3: Khảo sát với các mức tải trọng / khối lượng xe khác nhau nhằm đánh giá sự thay đổi của năng lượng thu được $E_{amax}$ và tỉ lệ thu năng $\alpha$.
- Đánh giá kết quả: So sánh đối chứng giữa số liệu tính toán mô phỏng từ phần mềm Simulink và số liệu đo đạc thực tế tại Bảng 4.4 của luận án. Các đồ thị thực nghiệm về tốc độ xe, áp suất bình áp năng và thể tích dầu nạp có quy luật biến thiên hoàn toàn trùng khớp với kết quả mô phỏng số, khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết.
- Đánh giá chu kỳ phanh dừng đặc trưng: Phân tích khoảng cách giữa hai lần phanh liên tiếp $L_{ph}$ để xác định khả năng hồi phục và tái tích lũy áp năng trong chu trình thu gom rác đô thị.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới của luận án được tác giả tổng kết bao gồm:
- 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 thông qua hộp trích công suất (PTO).
- Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm thành công mô hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng truyền động thủy lực trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn thực tế trong điều kiện Việt Nam.
- Đánh giá định lượng tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn theo các chế độ vận hành thực tế: sự thay đổi tay số truyền - vận tốc xe, các mức áp suất làm việc ban đầu của bình áp năng thủy lực ($p_{go}$), và các mức khối lượng xe khác nhau.
- Chứng minh khả năng vận dụng công nghệ thu hồi động năng bằng truyền động thủy lực kết nối hộp chia công suất (PTO) trên xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn và đề xuất khả năng mở rộng ứng dụng cho các dòng xe chuyên dùng khác có tính năng tương đương.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:
- Ứng dụng giải pháp trích công suất qua hộp PTO để lắp đặt hệ thống phanh thu năng thủy lực trên các xe thu gom rác đang lưu hành nhằm tận dụng cơ cấu truyền lực sẵn có, hạn chế tối đa việc cải tạo kết cấu xe nguyên bản.
- Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện cơ cấu kết nối tự động và van tỷ lệ nhằm nâng cao mức độ tự động hóa trong quá trình chuyển đổi giữa phanh thu năng và phanh ma sát cơ khí.
- Triển khai ứng dụng nguồn áp năng thu hồi vào việc cấp năng lượng cho hệ thống nâng hạ ben xả rác chuyên dùng, giúp giảm tải trực tiếp cho động cơ đốt trong khi làm việc tại chỗ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm chỉ được tiến hành trên đường nằm ngang ở vùng đồng bằng, chưa thực hiện khảo sát và thử nghiệm trên các cung đường có độ dốc lớn hoặc địa hình đồi núi phức tạp.
- Luận án đánh giá tỉ lệ thu năng chủ yếu dựa trên từng lần phanh đơn lẻ, chưa tiến hành thử nghiệm toàn diện trên các chu trình thử nghiệm xe tiêu chuẩn quốc tế kéo dài (như FTP75) do hạn chế về trang thiết bị thử nghiệm hiện trường.
- Mô hình thực nghiệm trên xe sử dụng bơm thủy lực bánh răng có lưu lượng riêng cố định ($d_p$ cố định), chưa áp dụng cụm bơm/mô tơ thủy lực biến thiên lưu lượng để tối ưu hóa mô men phanh theo từng dải tốc độ.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Mở rộng nghiên cứu động lực học và thuật toán điều khiển phanh thu năng thủy lực khi phương tiện vận hành trên đường có dốc, bảo đảm an toàn phối hợp giữa phanh bằng động cơ, phanh thủy lực và phanh ma sát.
- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình phối trộn công suất giữa động cơ đốt trong và mô tơ thủy lực khi xả năng lượng tái sử dụng hỗ trợ chuyển động xe.
- Nghiên cứu ứng dụng cụm bơm/mô tơ thủy lực có thể thay đổi góc nghiêng đĩa nghiêng (thay đổi lưu lượng riêng) nhằm nâng cao tỉ lệ thu năng và khả năng điều tiết mô men phanh linh hoạt theo chu trình công tác thực tế.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật ô tô, Kỹ thuật cơ khí động lực: Cung cấp phương pháp luận hoàn chỉnh từ mô hình hóa động lực học ô tô, nhiệt động học bình tích áp đến phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng trên Matlab - Simulink và kỹ thuật thu thập dữ liệu thực nghiệm qua vi điều khiển Arduino.
- Kỹ sư thiết kế, cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy sản xuất, lắp ráp xe chuyên dùng (như Công ty Cổ phần Công nghệ Ô tô Việt Nam và các doanh nghiệp cơ khí ô tô): Tham khảo cấu hình kết nối hộp trích công suất (PTO), sơ đồ mạch thủy lực và giải pháp điều khiển hành trình bàn đạp phanh để cải tiến các dòng xe chuyên dùng hiện hành.
- Cơ quan quản lý, hoạch định chính sách môi trường và giao thông đô thị: Cung cấp số liệu kỹ thuật thực tế phục vụ xây dựng định mức tiêu thụ nhiên liệu, đánh giá tiềm năng giảm phát thải khi áp dụng công nghệ thu hồi năng lượng trên các phương tiện công ích đô thị.
Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Phương pháp mô hình hóa động lực học và nhiệt động học bình tích áp ở Chương 2; các đồ thị khảo sát tham số trên Simulink ở Chương 3; thuật toán điều khiển và sơ đồ bố trí cảm biến đo kiểm thực tế trên xe ở Chương 4.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án lựa chọn đối tượng phương tiện nào để thử nghiệm và cấu hình kết nối hệ thống phanh thu năng thủy lực được thực hiện ra sao?
Luận án lựa chọn xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn do Công ty Cổ phần Công nghệ Ô tô Việt Nam sản xuất lắp ráp. Cấu hình hệ thống phanh thu năng thủy lực được kết nối trực tiếp với trục thứ cấp của hộp số sàn 5 cấp thông qua hộp trích công suất (PTO), dẫn động bơm thủy lực bánh răng nén dầu vào bình tích áp thủy khí bóng nitơ khi phanh.
2. Vì sao xe chuyên dùng thu gom rác lại là đối tượng phù hợp nhất để ứng dụng công nghệ phanh thu năng thủy lực?
Dữ liệu khảo sát công suất và tần suất phanh của xe cơ giới (Hình 1.6) cho thấy xe thu gom rác là phương tiện có tần suất phanh dừng cao nhất và công suất phanh lớn nhất do đặc thù phải liên tục dừng đỗ nhận rác tại các điểm thu gom. Đồng thời, bình tích áp thủy khí có công suất riêng (mật độ công suất) vượt trội so với ắc quy điện, đáp ứng khả năng tiếp nhận dòng năng lượng phanh đột ngột với công suất rất lớn của dòng xe này.
3. Hệ thống phanh cơ khí nguyên bản của xe có bị thay đổi kết cấu khi lắp thêm hệ thống phanh thu năng thủy lực không?
Hệ thống phanh cơ khí ma sát nguyên bản của xe được giữ nguyên hoàn toàn nhằm bảo đảm an toàn kỹ thuật. Tác giả chỉ điều chỉnh hành trình tự do của bàn đạp phanh: bố trí một cung dịch chuyển nhỏ khoảng 3–5 mm (đoạn BC) ở cuối hành trình tự do để kích hoạt phanh thu năng thủy lực làm việc độc lập; khi tiếp tục đạp sâu hơn (đoạn CE), cả hệ thống phanh thu năng thủy lực và phanh ma sát cơ khí sẽ cùng làm việc.
4. Mô hình toán nhiệt động học tính toán bình tích áp thủy lực dựa trên quá trình nhiệt động nào?
Luận án giả thiết quá trình nén và giãn nở của bóng khí nitơ trong bình tích áp là quá trình biến đổi đoạn nhiệt ($p V^k = \text{const}$) với số mũ đoạn nhiệt $k = 1,4$. Năng lượng tích trữ trong bình $E_a$ được tính toán chính xác thông qua công biến đổi thể tích khí nén giữa trạng thái áp suất làm việc ban đầu $p_{go}$ và áp suất làm việc tức thời $p_g$.
5. Bộ điều khiển thực nghiệm sử dụng phần cứng nào và dựa trên những điều kiện tín hiệu đầu vào nào để kích hoạt thu hồi động năng?
Bộ điều khiển sử dụng card vi điều khiển Arduino Uno R3. Van điện từ nạp dầu vào bình tích áp chỉ được kích hoạt mở khi đồng thời thỏa mãn 4 điều kiện tín hiệu: có tín hiệu đạp ngắt ly hợp (CL), có tín hiệu gài khớp hộp PTO (CLPTO), có tín hiệu tác động bàn đạp chân phanh (BR), và áp suất bình tích áp tức thời chưa vượt quá giới hạn an toàn ($p_{acc} < p_{max}$).
Kết luận
Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thu hồi năng lượng động năng khi phanh trên xe chuyên dùng thu gom rác tải trọng 2,5 tấn bằng hệ thống truyền động thủy lực kết nối qua hộp trích công suất PTO. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích, mô phỏng trên Matlab - Simulink và thử nghiệm trực tiếp trên xe thật với hệ thống điều khiển Arduino Uno R3, công trình đã xác lập các quy luật biến thiên của tỉ lệ thu năng theo tốc độ, tay số, áp suất bình áp năng và tải trọng phương tiện. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của giải pháp kỹ thuật, cung cấp luận cứ khoa học và cơ sở thực nghiệm rõ ràng cho việc phát triển, ứng dụng công nghệ phanh tái sinh thủy lực nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải trên các dòng ô tô chuyên dùng tại Việt Nam.
