Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, ngành giao thông vận tải đóng góp một phần lớn vào lượng khí thải CO2 toàn cầu. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năm 2020 lượng khí CO2 tăng 2% so với năm 2019, chủ yếu do hoạt động sản xuất công nghiệp và giao thông vận tải. Trong đó, ô tô là một trong những nguồn phát thải chính. Để giảm thiểu tác động này, các nhà sản xuất ô tô đã phát triển nhiều công nghệ nhằm tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải, trong đó có hệ thống điều khiển chế độ lái xe thông minh như ECO và SPORT.

Tuy nhiên, các dòng xe taxi phổ biến tại Việt Nam, đặc biệt là các mẫu xe phân khúc thấp như Toyota Vios thế hệ thứ hai, chưa được trang bị đầy đủ các hệ thống này. Theo báo cáo doanh số, từ năm 2018 đến 2020, Toyota Vios là mẫu xe bán chạy nhất với hơn 70.000 chiếc, trong đó khoảng 28% được sử dụng cho mục đích kinh doanh taxi. Điều này đặt ra nhu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và phát triển thiết bị lựa chọn chế độ lái xe ứng dụng cho xe taxi nhằm tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu và cải thiện trải nghiệm lái.

Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị lựa chọn chế độ lái xe ECO/SPORT cho xe taxi Toyota Vios, nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, đồng thời nâng cao trải nghiệm người lái. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào dòng xe Toyota Vios thế hệ thứ hai sử dụng động cơ 1NZ-FE, với các thử nghiệm thực tế trên tuyến đường cố định tại Tp. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu dự kiến sẽ góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ tiết kiệm nhiên liệu trong ngành vận tải taxi tại Việt Nam, đồng thời mở rộng khả năng áp dụng cho các dòng xe phổ thông khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển bướm ga điện tử và mô hình các chế độ lái xe ECO/SPORT. Hệ thống điều khiển bướm ga điện tử (ETC) bao gồm bàn đạp ga, bộ bướm ga, động cơ điện một chiều, cảm biến vị trí và bộ vi điều khiển. Khi người lái nhấn bàn đạp ga, tín hiệu điện áp được truyền đến bộ vi điều khiển để điều chỉnh góc mở cánh bướm ga, từ đó kiểm soát lượng không khí và nhiên liệu vào buồng đốt. Phương trình động lực học của hệ thống được mô hình hóa chi tiết, bao gồm các thành phần mô men xoắn, ma sát, lực quán tính và lò xo hồi vị.

Chế độ lái ECO được thiết kế để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu bằng cách làm chậm phản hồi bướm ga, điều chỉnh thời điểm sang số và giảm công suất động cơ khi cần thiết. Ngược lại, chế độ SPORT tăng độ nhạy của bướm ga, giữ vòng tua máy cao hơn để tối đa hóa công suất và cải thiện cảm giác lái. Các thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên mô hình động học và các tham số kỹ thuật của động cơ 1NZ-FE, đồng thời áp dụng các phương pháp điều khiển nghịch đảo và mạng nơ-ron RBF để tối ưu hóa hiệu suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu kỹ thuật của xe Toyota Vios thế hệ thứ hai, các thông số động cơ 1NZ-FE, và dữ liệu thực nghiệm thu thập qua phần mềm TechStream kết nối qua cổng OBD-II. Cỡ mẫu nghiên cứu là một chiếc xe Toyota Vios được lắp đặt thiết bị lựa chọn chế độ lái. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu tiêu biểu phổ biến trong ngành taxi Việt Nam.

Phương pháp phân tích bao gồm mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm MATLAB Simulink và Proteus, thiết kế mạch điện tử điều khiển, và thử nghiệm thực tế trên xe với các chế độ lái khác nhau trên cùng tuyến đường. Dữ liệu thu thập được phân tích so sánh về tốc độ, vòng tua động cơ, lượng nhiên liệu tiêu thụ và khí thải. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, từ khảo sát thị trường, thiết kế, mô phỏng, chế tạo đến thử nghiệm và đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị lựa chọn chế độ lái xe: Thiết bị bao gồm phần cứng và phần mềm điều khiển, tương thích với xe Toyota Vios thế hệ thứ hai. Mô phỏng trên MATLAB và Proteus cho thấy thiết bị có khả năng điều chỉnh góc mở bướm ga theo hai chế độ ECO và SPORT với độ chính xác cao.

  2. Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ ECO: Thử nghiệm thực tế trên tuyến đường cố định cho thấy, khi sử dụng chế độ ECO, lượng nhiên liệu tiêu thụ giảm khoảng 5% so với chế độ lái bình thường. Tốc độ động cơ trung bình giảm 8%, đồng thời lượng khí thải CO2 cũng giảm tương ứng.

  3. Cải thiện trải nghiệm lái ở chế độ SPORT: Ở chế độ SPORT, tốc độ động cơ tăng trung bình 12%, giúp tăng khả năng tăng tốc và cảm giác lái mượt mà hơn. Mức tiêu hao nhiên liệu tăng nhẹ khoảng 3% so với chế độ bình thường, nhưng vẫn trong giới hạn chấp nhận được đối với người lái taxi cần tăng tốc nhanh.

  4. Độ ổn định và phản hồi của hệ thống: Thiết bị hoạt động ổn định trong các điều kiện thử nghiệm, phản hồi tín hiệu bướm ga nhanh, không gây trễ đáng kể. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy thiết bị có hiệu quả tương đương hoặc vượt trội trong việc điều khiển chế độ lái trên xe phổ thông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu ở chế độ ECO là do thiết bị điều chỉnh giảm độ mở bướm ga và tối ưu hóa thời điểm sang số, giúp động cơ hoạt động ở vòng tua thấp hơn, giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tác động của chế độ ECO đến tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc áp dụng thiết bị trên xe taxi phân khúc thấp.

Chế độ SPORT mang lại trải nghiệm lái tốt hơn nhờ tăng độ nhạy bướm ga và giữ vòng tua cao, phù hợp với nhu cầu tăng tốc nhanh trong một số tình huống giao thông. Mức tăng nhẹ về tiêu hao nhiên liệu là chấp nhận được trong bối cảnh nâng cao trải nghiệm người lái.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh lượng nhiên liệu tiêu thụ, vòng tua động cơ và tốc độ xe ở ba chế độ: ECO, Normal và SPORT, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của thiết bị. Bảng so sánh giá trị trung bình mô phỏng và thực nghiệm cũng cho thấy sự phù hợp giữa mô hình và thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt thiết bị lựa chọn chế độ lái xe trên các xe taxi Toyota Vios trong vòng 6 tháng: Các doanh nghiệp taxi nên phối hợp với các trung tâm kỹ thuật để lắp đặt thiết bị nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, đồng thời nâng cao trải nghiệm lái.

  2. Nâng cấp phần mềm điều khiển để bổ sung thêm chế độ lái tùy chỉnh: Phát triển thêm các chế độ lái phù hợp với điều kiện giao thông và nhu cầu người lái nhằm tối ưu hóa hiệu suất và an toàn, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng.

  3. Tổ chức đào tạo kỹ thuật viên và tài xế về sử dụng thiết bị và các chế độ lái: Đào tạo trong vòng 3 tháng để đảm bảo thiết bị được vận hành hiệu quả và phát huy tối đa lợi ích.

  4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng thiết bị cho các dòng xe phổ thông khác: Nghiên cứu khả năng tích hợp thiết bị trên các mẫu xe khác trong vòng 18 tháng, nhằm đa dạng hóa thị trường và tăng hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu toàn ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp vận tải taxi: Có thể áp dụng thiết bị để giảm chi phí nhiên liệu, nâng cao hiệu quả kinh doanh và cải thiện trải nghiệm khách hàng.

  2. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật ô tô: Tham khảo phương pháp thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm thiết bị điều khiển chế độ lái, từ đó phát triển các giải pháp tương tự.

  3. Các trường đại học và viện nghiên cứu kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu về điều khiển động cơ và tiết kiệm nhiên liệu.

  4. Nhà sản xuất và đại lý ô tô: Tham khảo để phát triển hoặc tích hợp các thiết bị hỗ trợ lái xe thông minh cho các dòng xe phổ thông, nâng cao giá trị sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị lựa chọn chế độ lái xe có ảnh hưởng đến độ bền của động cơ không?
    Thiết bị được thiết kế để điều chỉnh tín hiệu bướm ga một cách hợp lý, không làm tăng quá mức áp lực lên động cơ. Thử nghiệm thực tế cho thấy không có dấu hiệu ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền trong quá trình vận hành bình thường.

  2. Lắp đặt thiết bị có phức tạp và tốn kém không?
    Việc lắp đặt tương đối đơn giản, chỉ cần kết nối với bàn đạp ga và ECU qua cổng OBD-II. Chi phí lắp đặt và thiết bị được đánh giá hợp lý so với lợi ích tiết kiệm nhiên liệu lâu dài.

  3. Thiết bị có tương thích với các dòng xe khác ngoài Toyota Vios không?
    Hiện tại thiết bị được thiết kế riêng cho Toyota Vios thế hệ thứ hai với động cơ 1NZ-FE. Tuy nhiên, phương pháp và thiết kế có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các dòng xe khác trong tương lai.

  4. Chế độ ECO có làm giảm công suất xe quá nhiều không?
    Chế độ ECO điều chỉnh giảm độ mở bướm ga và vòng tua động cơ để tiết kiệm nhiên liệu, nhưng vẫn đảm bảo khả năng vận hành ổn định và an toàn. Người lái có thể chuyển sang chế độ SPORT khi cần tăng công suất.

  5. Thiết bị có giúp giảm khí thải CO2 hiệu quả không?
    Thử nghiệm cho thấy chế độ ECO giúp giảm lượng khí thải CO2 tương ứng với mức giảm tiêu hao nhiên liệu khoảng 5%, góp phần cải thiện môi trường và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải hiện hành.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị lựa chọn chế độ lái xe ECO/SPORT ứng dụng cho xe taxi Toyota Vios thế hệ thứ hai.
  • Thiết bị giúp giảm tiêu hao nhiên liệu khoảng 5% khi sử dụng chế độ ECO và cải thiện trải nghiệm lái ở chế độ SPORT.
  • Phương pháp điều khiển bướm ga điện tử được mô phỏng và thử nghiệm thực tế, cho kết quả phù hợp với mô hình lý thuyết.
  • Thiết bị có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành taxi và các dòng xe phổ thông tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai lắp đặt, nâng cấp phần mềm và mở rộng nghiên cứu cho các dòng xe khác trong thời gian tới.

Để tiếp tục phát triển, các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn, đồng thời hoàn thiện thiết bị và phần mềm điều khiển. Hành động ngay hôm nay sẽ góp phần nâng cao hiệu quả vận tải, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường.