Khảo sát sự phối hợp làm việc của tổ hợp động cơ – Máy phát – Động cơ điện của ô tô hybrid prius 2001 – 2003

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG------ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI : KHẢO SÁT SỰ PHỐI HỢP LÀM VIỆC CỦA TỔ HỢP ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG - MÁY PHÁT – ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRÊN Ô TÔ HYBRID TOYOTA PRIUS 2001 – 2003 SVTH: NGUYỄN NGỌC KHANG LỚP: 04C4B GVHD: KS. NGUYỄN QUANG TRUNG GVD: TS. PHÙNG XUÂN THỌ ĐÀ NẴNG 6-2009 NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI. Tổng quan về ô tô Hybrid. Giới thiệu về ô tô Hybrid Toyota Prius. Các phương án bố trí các nguồn động lực trên ô tô Hybrid. Khảo sát sự phối hợp làm việc của tổ hợp động cơ đốt trong – máy phát – động cơ điện trên ô tô Hybrid Toyota Prius. Khảo sát bộ phận chia công suất. 1. TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ HYBRID. 2. GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ HYBIRD TOYOTA PRIUS. 2.1. Động cơ 1NZ – FXE. 2.2. Giới thiệu một số hệ thống trên ô tô Prius. Hệ thống cảm biến điều khiển động cơ. Hệ thống làm mát. Hệ thống phanh. 3. CÁC PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ CÁC NGUỒN ĐỘNG LỰC TRÊN Ô TÔ HYBRID. 3.1. Bố trí nối tiếp các nguồn động lực.3.2. Bố trí song song các nguồn động lực.3.3. Bố trí hỗn hợp các nguồn động lực. 3.1 BỐ TRÍ NỐI TIẾP CÁC NGUỒN ĐỘNG LỰC. 1 – Động cơ nhiệt; 2 – Máy phát điện; 3 – Bộ truyền giảm tốc; 4 - Ắc quy; 5 – Bộ chuyển đổi điện; 6 – Động cơ điện; 7 – Bánh xe chủ động; 8 – Bộ vi sai; 9 – Bán trục. 3.2. BỐ TRÍ SONG SONG CÁC NGUỒN ĐỘNG LỰC. 1 – Động cơ nhiệt; 2 – Cơ cấu truyền động; 3 – Bộ truyền giảm tốc; 4 - Ắc quy; 5 – Bộ chuyển đổi điện; 6 – Động cơ điện; 7 – Bánh xe chủ động; 8 – Bộ vi sai; 9 – Bán trục. 3.3. BỐ TRÍ HỖN HỢP CÁC NGUỒN ĐỘNG LỰC. 1 – Động cơ nhiệt; 2 – Bộ chia công suất; 3 – Máy phát điện; 4 - Ắc quy; 5 – Bộ chuyển đổi điện; 6 – Động cơ điện; 7 – Bánh xe chủ động; 8 – Bộ vi sai; 9 – Bán trục. 4. KHẢO SÁT SỰ PHỐI HỢP LÀM VIỆC CỦA TỔ HỢP ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG – MÁY PHÁT – ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRÊN Ô TÔ HYBRID TOYOTA PRIUS. 4.1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ động lực trên ô tô Hybrid Prius.4.2. Các chế độ hoạt động và sự phối hợp làm việc. 4.3. Hệ thống điều khiển sự phối hợp làm việc. 4.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA HỆ ĐỘNG LỰC. 1 – Ắc quy điện áp cao; 2 – Bộ chuyển đổi điện; 3 – Động cơ điện; 4 – Bánh xe chủ động; 5 – Hộp giảm tốc; 6 – Động cơ nhiệt; 7 – Bộ chia công suất; 8 – Máy phát điện. 4.2. HỆ ĐỘNG LỰC TRÊN Ô TÔ TOYOTA PRIUS. 1 – Bơm dâu; 2 – Động cơ điện; 3 – Bộ chia công suất; 4 – Máy phát; 5 – Trục ra động cơ; 6 – Hộp giảm tốc. 7 – Bộ vi sai; 8 – Bán trục. 4.3 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG VÀ SỰ PHỐI HỢP LÀM VIỆC. 4.3.1. Chế độ sẵn sàng khởi hành. 4.3.2. Chế độ đã khởi động và ở tốc độ thấp 4.3.3. Chế độ chạy xe bình thường. 4.3.4. Chế độ tăng tốc tối đa. 4.3.5. Chế độ giảm tốc và phanh. 4.3.6. Chế độ lùi xe. SƠ ĐỒ LÀM VIỆC CHUNG Ở CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG. 4.3.1. Chế độ sẵn sàng khởi hành. Bước 1  Ban đầu năng lượng điện từ ắc quy cao áp qua bộ chuyển đổi cấp cho động cơ nhiệt để cấp điện cho bugi đánh lửa và mô tơ khởi động làm quay trục khuỷu động cơ. 4.3.1. Chế độ sẵn sàng khởi hành. Bước 2 Sau khi khởi động, động cơ nhiệt của xe sẽ tự động quay hay ngừng quay phụ thuộc vào nhiệt độ nước làm mát động cơ và tình trạng của ắc quy cao áp, mục đích là để tăng cường tiết kiệm nhiên liệu. 4.3.2. Chế độ đã khởi động và ở tốc độ thấp. Động cơ điện dẫn động các bánh xe chủ động quay ở dải tốc độ thấp. Cuối quá trình này, động cơ nhiệt của xe mới bắt đầu tham gia dẫn động cho xe tăng tốc dần đến dải tốc độ thông thường. Sơ đồ truyền lực ở chế độ tốc độ thấp. 4.3.3. Chế độ chạy xe bình thường. Công suất từ động cơ nhiệt được chia thành hai phần: một phần dẫn động cho bánh xe chủ động, còn một phần dẫn động làm quay mát phát điện. Sơ đồ truyền lực ở chế độ chạy xe bình thường. 4.3.4. Chế độ tăng tốc tối đa. Ắc quy cao áp sẽ cung cấp thêm năng lượng vào động cơ điện qua bộ chuyển đổi để khếch đại công suất dẫn động lên mức tối đa. Sơ đồ truyền lực ở chế độ tăng tốc tối đa. 4.3.5. Chế độ giảm tốc và phanh. Động cơ điện hoạt động như một máy phát điện được dẫn động nhờ động năng từ các bánh xe chủ động. Động cơ chính của xe ngừng hoạt động để tiết kiệm nhiên liệu. Máy phát vẫn quay lùi để bảo trì tỷ số truyền. Sơ đồ truyền lực ở chế độ giảm tốc và phanh. 4.3.6. Chế độ lùi xe. Để xe chuyển động lùi, động cơ điện đảo ngược chiều quay. Động cơ chính không làm việc. Máy phát không phát sinh điện. 4.4 Hệ thống điều khiển sự phối hợp làm việc. 4.4.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển. 4.4.2. Điều khiển phối hợp máy phát, động cơ điện và ắc quy điện áp cao. 4.4.3. Điều khiển phối hợp động cơ điện và động cơ nhiệt. 4.4.4. Điều khiển động cơ điện. 4.4.5. Điều khiển động cơ nhiệt. 4.4.6. Nạp điện cho bộ nguồn ắc quy 4.4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển chung. 4.4.2. Điều khiển phối hợp máy phát, động cơ điện và ắc quy điện áp cao. a) Sơ đồ bộ chuyển đổi. b) Sơ đồ bộ chuyển đổi dòng một chiều. c) Sơ đồ bộ chuyển đổi dòng xoay chiều. 4.4.3. Điều khiển phối hợp động cơ nhiệt và động cơ điện. - 1 tín hiệu từ bàn đạp ga; - 2 bộ tạo tín hiệu điện áp; - 3 mạch điều khiển động cơ điện; - 4 là động cơ điện; - 5 động cơ bước; - 6 động cơ đốt trong. Để điều khiển đồng thời động cơ nhiệt và động cơ điện, cần chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu cơ để kéo cần ga động cơ nhiệt. Ở đây dùng motor bước để chuyển tín hiệu điện áp thành cơ năng để điều khiển cần ga của động cơ đốt trong theo tải yêu cầu. 4.4.4 Điều khiển động cơ điện. 1 - Bộ nguồn ắc quy; 2 - Khóa điều khiển; 3 - Điều khiển ở chân ga; 4 - Bộ điều khiển động cơ ; 5 - Rơ le đóng mạch; 6 - Công tắc điều khiển tiến, lùi; 7 - Rơ le đảo chiều; 8 - Động cơ điện. 4.4.5 Điều khiển động cơ nhiệt. 1. Khóa công tắc; 2. Nguồn ắc quy; 3. Nút nhấn đề; 4. Rôle đề; 5. Máy khởi động điện; 6. Bô-bin lửa; 7. Bộ nguồn kích (Nguồn điều khiển); 8. Bộ CDI; 9. Bô bin đánh lửa; 10.Bu-gi; 11.Công tắc máy. 4.4.6. Hệ thống nạp điện cho bộ nguồn ắc quy. Ngoài hệ thống nạp điện trực tiếp bằng máy phát điện trang bị trên xe, việc nạp điện cho ắc quy còn được thực hiện bằng bộ nắn điện từ lưới điện dân dụng 220V (AC) thành 110V (DC) và đưa dòng một chiều vào bộ ắc quy qua một cổng kết nối an toàn. Bộ nạp điện này được bố trí tại gara xe. 5. KHẢO SÁT BỘ PHẬN CHIA CÔNG SUẤT TRÊN Ô TÔ HYBRID TOYOTA PRIUS. 5.1. Sơ đồ và nguyên lý làm việc. Sơ đồ nguyên lý làm việc. Nguyên lý làm việc. 5.2. Đặc điểm kết cấu và thông số cơ bản. Đặc điểm kết cấu. Thông số cơ bản. 5.1.1. Sơ đồ nguyên lý làm việc. Cụm bánh răng hành tinh đóng vai trò như một bộ chia công suất. Máy phát điện được nối tới bánh răng mặt trời. Động cơ điện được nối tới vành răng truyền công suất. Đầu ra trục chính động cơ nhiệt được nối tới giá bánh răng hành tinh 5.1.2 Nguyên lý làm việc.a) Giảm tốc. - Bánh răng bao: phần tử bị động. - Bánh răng mặt trời: phần tử cố định. - Cần dẫn: phần tử bị động. b) Tăng tốc - Bánh răng bao: phần tử bị động. - Bánh răng mặt trời: phần tử cố định. - Cần dẫn: phần tử chủ động. c) Dẫn động trực tiếp. - Bánh răng bao: phần tử chủ động. - Bánh răng mặt trời: phần tử cố định. - Cần dẫn: phần tử chủ động. d) Đảo chiều quay. - Bánh răng bao: phần tử bị động. - Bánh răng mặt trời: phần tử bị động. - Cần dẫn: phần tử cố địnkh 5.2.1 Kết cấu bộ phận chia công suất. 1 – Trục dẫn động cơ nhiệt; 2 – Trục dẫn máy phát điện; 3 – Bánh răng đầu ra của bộ chia công suất; 4 – Vành dẫn; 5 – Bánh răng hành vệ tinh; 6 – Chốt; 7 – Cần dẫn bánh răng vệ tinh; 8 – Đường dầu bôi trơn; 9 – Đầu nối bơm dầu; 10 – Nối khóa hãm động cơ điện; 11 – Trục dẫn của động cơ điện; 12 – Vòng đệm; 13 – Vành răng bao; 14 – Bánh răng mặt trời; 15 – Đường dầu bôi trơn; 5.2.2 Các thông số cơ bản. 1- Động cơ điện; 2 - Bộ chia công suất; 3 – Máy phát; 4 - Động cơ nhiệt; 5 – Ly hợp; 6 – Trục ra của bộ chia công suất; 7 – Vành dẫn động; 8 – Khối cần C. Trong bộ chia công suất, số răng và bán kính vòng chia của các bánh răng như sau: Số răng của vành răng bao: Z1 = 78 Số răng của bánh răng hành tinh: Z2 = 24 Số răng của bánh răng mặt trời: Z3 = 30 Bán kính vòng chia R2 của bánh răng vệ tinh: R2= mn.Z2/2 = 3.24/2 = 36 mm. Bán kính vòng chia R3 của bánh răng mặt trời: R3= mn.Z3/2 = 3.30/2 = 45 mm. Bán kính vòng chia R1 của vành răng bao: R1 = R3 + 2 R2 = 45 + 2.36 = 117 mm. Thống số cơ bản nguồn động lực là động cơ điện. Công suất cực đại: N1 = 50 (kw) tại số vòng quay n = 1200 ÷ 1540 (v/ph) Mo men xoắn cực đại: M1 = 400 (Nm) tại số vòng quay n = 0 ÷ 1200 (v/ph). Tốc độ góc trục quay của động cơ điện 1 tại số vòng quay n = 1200 (v/ph). 1= 125,66 (rad/s) Thông số cơ bản nguồn động lực là động cơ nhiệt. - Công suất cực đại: N2 = 57 (Kw) tại số vòng quay n = 5000 (vg/ph). Mo men xoắn cực đại: M2 = 111 (Nm) tại số vòng quay n = 4200 (v/ph). Tốc độ góc trục quay của động cơ nhiệt 2 tại số vòng quay n = 4200 (v/ph). 2 = 439,82 (rad/s). 6. KẾT LUẬN Đề tài đã trình bày được những vấn đề cơ bản nhất hệ động lực trên xe Hybrid Toyota Prius. Khảo sát sự phối hợp làm việc của tổ hợp động cơ nhiệt – máy phát – động cơ điện giúp chúng ta hiểu được nguyên lý làm việc của hệ động lực. Ngoài ra trong đề tài còn cho thấy được sự làm việc của cụm bánh răng hành tinh trong hộp số hay như một bộ chia công suất. Với toàn bộ quá trình hoạt động và công nghệ tiên tiến như vậy, khả năng tiết kiệm nhiên liệu của xe hybrid đã được khẳng định và được xem là những chiếc xe của tương lai. Để thực sự xe ô tô Toyota Prius được đưa vào sử dụng rộng rãi trong nước chúng ta cần có những cải tiến trước tiên là chất và lượng của đường giao thông Việt Nam sau đó là những cải tiến hợp lý về mặt kỹ thuật được trang bị trên xe ô tô cho phù hợp hơn với điều kiện đường mà những cán bộ kỹ thuật như chúng ta phải hoàn thành.