Mục tiêu nghiên cứu
So sánh mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô trang bị hộp số vô cấp CVT với ô tô trang bị hộp số cơ khí MT, qua đó:
- Khẳng định tính ưu việt của ô tô trang bị hộp số vô cấp CVT so với ô tô trang bị hộp số cơ khí
- Định hướng người người tiêu dùng.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, là sự kết hợp của phương pháp lý thuyết đồng thời sử dụng phương pháp thực nghiệm
- Phương pháp lý thuyết: Tính toán mô phỏng, phân tích và đánh giá lý thuyết
- Phương pháp thực nghiệm: Thực nghiệm đo tiêu hao nhiên liệu của xe thử nghiệm trên đường thực tế.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ô tô trang bị hộp số vô cấp CVT vượt trội hơn so với ô tô hộp số cơ khí MT nhờ vào tính năng tự động hóa, thao tác đơn giản và dễ điều khiển, mang lại sự tiện nghi cho người sử dụng Hệ thống này không chỉ giúp giảm tiêu hao nhiên liệu mà còn giảm lượng phát thải ô nhiễm ra môi trường Bài viết hướng đến việc giúp người tiêu dùng có cái nhìn khách quan về mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô trang bị hộp số tự động, đặc biệt là hộp số vô cấp CVT, từ đó thay đổi quan niệm sai lầm rằng hộp số tự động tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn hộp số cơ khí Đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ ràng.
Dự kiến kết quả đạt được
So sánh mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô trang bị hộp số vô cấp CVT và ô tô sử dụng hộp số cơ khí thông thường cho thấy sự khác biệt rõ rệt khi di chuyển trên các loại đường khác nhau Ô tô CVT thường tiết kiệm nhiên liệu hơn khi chạy trên đường cao tốc nhờ vào khả năng điều chỉnh tỷ số truyền liên tục, trong khi ô tô với hộp số cơ khí có thể tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn do hạn chế trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ Trên đường đô thị, ô tô CVT cũng thể hiện ưu thế nhờ khả năng tăng tốc mượt mà và giảm thiểu thời gian dừng Việc lựa chọn giữa hai loại hộp số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu của xe trong các điều kiện vận hành khác nhau.
Nội dung nghiên cứu và cấu trúc luận văn
TỔNG QUAN VỀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Ô TÔ
TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH VÀ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG DO CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG GÂY RA
Nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng chứa hàm lượng cao cacbon và hydrocacbon, bao gồm các dạng như methane, dầu hỏa và than đá Các nhiên liệu này có thể phân loại từ chất dễ bay hơi như methane, đến các chất không bay hơi hoàn toàn là cacbon như than đá Methane thường xuất hiện trong các mỏ hydrocacbon, có thể tồn tại độc lập hoặc kết hợp với dầu hỏa, cũng như dưới dạng methane clathrates.
Các hóa thạch được hình thành từ phần còn lại của thực vật và động vật sau hàng triệu năm chịu áp suất và nhiệt độ bên trong vỏ trái đất Học thuyết về sự phát sinh sinh vật lần đầu tiên được Georg Agricola đề xuất vào năm 1556, và sau đó được Mikhail Lomonosov phát triển vào thế kỷ 18.
Theo ước tính của Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA) năm 2006, nguồn năng lượng nguyên thủy chủ yếu bao gồm 36,8% dầu mỏ, 26,6% than và 22,9% khí thiên nhiên, trong khi nhiên liệu không hóa thạch như thủy điện, năng lượng hạt nhân và các dạng năng lượng tái tạo khác chỉ chiếm khoảng 7,2% Tiêu thụ năng lượng toàn cầu tăng khoảng 2,3% mỗi năm, trong khi nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên không tái tạo, dẫn đến nguy cơ cạn kiệt do tốc độ tiêu thụ nhanh hơn tốc độ hình thành Để giải quyết vấn đề gia tăng nhu cầu năng lượng, thế giới đang chuyển hướng sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo.
Hình 1 1 Dàn khoan khai thác dầu tại mỏ Bạch Hổ, TP Vũng Tàu
Hình 1 1 là hình ảnh của một trong các dàn khoan dầu của tại mỏ Bạch Hổ, Thành phố Vũng Tàu, Việt Nam
Nguồn năng lượng chủ yếu chủ yếu là lượng dự trữ trong lòng đất, với lưu lượng là sản lượng khai thác Nguồn năng lượng hóa thạch gốc Carbon, bao gồm dầu mỏ, than và khí, đóng vai trò quan trọng, chiếm tới 79,6% sản lượng năng lượng chủ yếu vào năm 2002, tương đương với 34,9 triệu tấn dầu quy đổi cho dầu mỏ, 23,5 triệu tấn cho than, và 21,2 triệu tấn cho khí.
! Mức cấp (dự trữ đã xác định)
- Dầu mỏ: 1.184 đến 1.342 tỉ thùng (ước tính giai đoạn 2007-2009)
- Khí: 6.254-6.436 nghìn tỉ ft³ (177 - 182 nghìn tỉ m³) hay 1.138-1.171 tỉ thùng dầu quy đổi (BBOE) giai đoạn 2007-2009 (hệ số 0,182)
- Than: 997,748 tỉ tấn Mỹ hay 904,957 tỉ tấn hay 997.748 * 0,907186 * 4,879 4.416 BBOE (2005)
! Lưu lượng (sản lượng tiêu thụ hàng năm) thống kê theo năm 2007
- Dầu mỏ: 85,896 triệu thùng/ngày
- Khí: 104,425 nghìn tỉ ft³ (2,957 nghìn tỉ m³)* 0,182 = 19 BBOE
- Than: 6,743 tỉ tấn Mỹ * 0,907186 * 4,879 = 29,85 BBOE
! Theo Oil & Gas Journal, World Oil số năm khai thác còn lại với lượng dự trữ tối đa được xác định
- Dầu mỏ: 1.342 tỉ thùng dự trữ / (85,896 triệu thùng nhu cầu một ngày * 365 ngày) = 43 năm
Cách tính sản lượng khai thác dựa trên giả định rằng sản lượng sẽ duy trì ổn định trong các năm tiếp theo và tất cả lượng dự trữ đã xác định có thể được khai thác hoàn toàn Tuy nhiên, thực tế cho thấy nhu cầu tiêu thụ từ ba nguồn cung cấp này đang gia tăng nhanh chóng hàng năm, dẫn đến việc sản lượng khai thác hình thành đường cong giống hình chuông Ở một số thời điểm, sản lượng khai thác tài nguyên sẽ đạt đỉnh và sau đó giảm xuống mức mà việc khai thác không còn mang lại lợi nhuận hoặc không khả thi Quy luật này được Hubbert mô tả trong học thuyết đỉnh điểm Hubbert liên quan đến dầu khí Cần lưu ý rằng ước tính về lượng dự trữ đã xác định không bao gồm dự trữ chiến lược, trong khi dự trữ chiến lược toàn cầu lên tới hơn 4,1 tỷ thùng.
Theo Bộ Công Thương, sản lượng tiêu thụ xăng dầu trong nước năm 2009 đạt khoảng 15 triệu tấn, tăng 4% so với năm 2000 Năm 2010, mức tiêu thụ xăng dầu là 16.3 triệu tấn, trong đó khoảng 11.6 triệu tấn là từ nhập khẩu Từ năm 2000 đến nay, mức tăng trưởng trung bình của sản lượng xăng dầu tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 6-8%, và dự báo sẽ đạt khoảng 8% cho tới năm 2020 Bộ Công Thương cũng đã đưa ra chính sách năng lượng quốc gia nhằm phát triển lĩnh vực dầu khí.
2010, tầm nhìn đến 2050 đã tính toán theo như nguồn cung cấp dầu 2010 vào khoảng 16.7 – 17.2 triệu tấn/năm, năm 2020 vào khoảng 29 – 31.2 triệu tấn/năm, đến năm
Đến năm 2050, nhu cầu tiêu thụ xăng dầu tại Việt Nam dự kiến sẽ đạt từ 90 đến 98 triệu tấn mỗi năm Sự gia tăng này phản ánh xu hướng tiêu thụ xăng dầu trong nước ngày càng cao và dự báo sẽ tiếp tục tăng trong 25 năm tới Hình 1.2 minh họa rõ nét sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm xăng dầu tại Việt Nam cho đến năm 2050.
2020 và tầm nhìn đến năm 2050
Hình 1 2 Dự báo nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm xăng dầu tại Việt Nam đến năm 2020, và tầm nhìn đến năm 2050
Việc đốt nhiên liệu hóa thạch thải ra khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 mỗi năm, trong khi các quá trình tự nhiên chỉ có thể hấp thu một nửa lượng khí thải này Điều này dẫn đến sự gia tăng 10,65 tỉ tấn CO2 hàng năm trong khí quyển, tương đương với 4,7 tỉ tấn carbon dioxide Carbon dioxide là một trong những khí nhà kính chính, góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu và làm tăng nhiệt độ trung bình bề mặt trái đất.
Hiện nay, nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam, đang triển khai các chiến lược đối phó với ô nhiễm môi trường do việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch Trong số đó, than đá là nguồn năng lượng phổ biến nhất, nhưng nó cũng là nguyên nhân gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, như khí thải SO2 dẫn đến mưa a-xít, ô nhiễm đất đai và nguồn nước Theo thống kê của GreenID, vào năm 2015, khoảng 4.300 người sống gần các nhà máy điện than đã phải đối mặt với các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như đột quỵ, nhồi máu cơ tim và ung thư phổi Hình 1.3 minh họa hàm lượng phát thải CO2 từ các loại nhiên liệu hóa thạch khác nhau.
Hình 1 3 Phát thải các bon-đioxit theo loại nhiên liệu hóa thạch
Khai thác, xử lý và phân phối nhiên liệu hóa thạch gây ra nhiều mối quan tâm về môi trường, đặc biệt là từ các nhà máy lọc dầu, góp phần vào ô nhiễm nước và không khí Biến động hàm lượng điôxít cacbon trong 400.000 năm qua cho thấy sự gia tăng đáng kể kể từ khi cách mạng công nghiệp bắt đầu.
1.1.2 Vấn đề ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông gây ra
Ô nhiễm môi trường không khí có nhiều nguồn gốc khác nhau Tại các đô thị, áp lực ô nhiễm chủ yếu đến từ giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp, sinh hoạt của người dân và xử lý chất thải, trong đó giao thông vận tải chiếm khoảng 70% tổng lượng ô nhiễm Ở nông thôn, ô nhiễm không khí chủ yếu xuất phát từ sản xuất nông nghiệp, hoạt động tại các làng nghề và sinh hoạt của cư dân.
Theo ước tính, hoạt động giao thông trên toàn quốc đóng góp gần 85% lượng khí CO và 95% lượng VOC, trong khi các hoạt động công nghiệp là nguồn chính phát thải khí SO2.
Hoạt động giao thông và các ngành sản xuất công nghiệp đóng góp tỷ lệ ô nhiễm không khí tương đương nhau Tuy nhiên, đối với bụi lơ lửng (TSP), ngành sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng là nguồn phát thải chính, chiếm khoảng 70% Biểu đồ Hình 1.4 minh họa tỷ lệ phát thải từ các nguồn ô nhiễm và phương tiện giao thông tại Việt Nam.
Hình 1 4 Tỷ lệ các nguồn phát thải ở Việt Nam 2011 và phát thải các chất ô nhiễm do phương tiện giao thông vận tải gây ra
Khí thải từ động cơ trải qua các phản ứng hóa học trong khí quyển, được gọi là phản ứng "quang hóa", tạo ra nhiều hóa chất có hại cho sức khỏe và môi trường Sự hình thành khí thải này chủ yếu xảy ra ở các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong.
Hình 1 5 Hình thành khí thải trên ô tô sử dụng động cơ đốt trong
Khí thải từ động cơ xăng chứa hơn 150 loại hydrocarbon khác nhau, trong đó một số hydrocarbon có khả năng phản ứng mạnh hơn Các phản ứng quang hóa của hydrocarbon được đo lường để xác định tỷ lệ oxy hóa NO và NO2 Để đánh giá ảnh hưởng của các hydrocarbon cụ thể, NO được chiếu xạ bằng tia cực tím trong buồng phản ứng, và sự tích tụ của NO2 được ghi lại theo phần trăm mỗi phút Một quy mô phản ứng quang hóa đã được thiết lập để theo dõi sự hình thành ôzôn Hình 1.6 minh họa mối liên hệ giữa khí thải động cơ và các chất ô nhiễm không khí.
Hình 1 6 Quá trình ô nhiễm không khí do khí thải động cơ gây ra
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HIỆU QUẢ VÀ TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU CHO Ô TÔ TRÊN THẾ GIỚI
1.2.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu ô tô
Thế giới hiện đang đối mặt với tình trạng cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và sự gia tăng nhiệt độ trái đất do hiệu ứng nhà kính, trong đó phương tiện giao thông đóng góp một phần không nhỏ Vì vậy, nghiên cứu và phát triển các giải pháp tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô trở nên cấp bách và quan trọng Các nhà khoa học đã thành công trong việc nghiên cứu công nghệ cải tiến động cơ đốt trong nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng nhiên liệu.
Công nghệ kiểm soát thông minh thời điểm đóng mở các van nạp-thải (VVT hay VVTi) giúp cải thiện tỷ lệ không khí/nhiên liệu, từ đó giảm tiêu hao nhiên liệu lên đến 5% so với động cơ truyền thống.
Công nghệ tăng áp như "Turbocharger" và "Supercharger" giúp nâng cao công suất động cơ mà không cần tăng dung tích xi-lanh, cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu lên đến 7,5% và giảm lượng khí thải CO2 cho ô tô Kết hợp với công nghệ phun nhiên liệu trực tiếp vào xi-lanh (DFI), công nghệ này tối ưu hóa tỷ lệ không khí/nhiên liệu ở mọi chế độ làm việc, đảm bảo quá trình đốt cháy nhiên liệu hoàn toàn Công nghệ DFI cũng cho phép nâng cao tỷ số nén động cơ xăng, từ đó cải thiện hiệu suất nhiệt và tiết kiệm nhiên liệu lên đến 15% so với động cơ phun xăng điện tử (EFI) thông thường.
Hệ thống đánh lửa bằng tia plasma ACIS (Advanced Corona Ignition System), đang được nghiên cứu bởi tập đoàn Federal-Mogul, mang lại giải pháp tiên tiến thay thế cho buji truyền thống ACIS chuyển hóa các phân tử khí thành ion, tạo ra plasma khí để châm cháy hỗn hợp nhiên liệu, kích thích quá trình ion hóa trong buồng đốt Với nhiệt độ plasma cực cao, hệ thống này có khả năng đốt cháy hiệu quả ngay cả với hỗn hợp nghèo nhiên liệu hoặc có lượng hồi lưu khí xả EGR lớn, từ đó nâng cao hiệu suất đốt cháy và giúp động cơ hoạt động sạch hơn Đặc biệt, với động cơ có tỷ số nén lớn, ACIS giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu trước khi xảy ra hiện tượng kích nổ, hứa hẹn cắt giảm tới 10% lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu cho ô tô đang được đầu tư mạnh mẽ, bên cạnh các giải pháp công nghệ cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu cho động cơ.
Công nghệ ô tô không truyền thống, bao gồm ô tô điện và ô tô Hybrid, đã được phát triển thành công nhằm giảm thiểu việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Các mô hình tiêu hao nhiên liệu của thế hệ xe mới được nghiên cứu và phát triển nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm khí thải, qua đó đánh giá và so sánh với các phương pháp truyền thống.
Nghiên cứu về các mô hình phân tích tiêu hao nhiên liệu và chế độ vận hành ô tô trong nội đô đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học nhằm tối ưu hóa hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu về công nghệ hộp số vô cấp CVT
Ngành công nghiệp ô tô đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, hiện nay việc tự động hóa trong truyền động và điều khiển đã được áp dụng rộng rãi trên hầu hết các hệ thống ô tô hiện đại Trong số đó, hệ thống truyền lực, bao gồm hộp số và điều khiển, đóng vai trò quan trọng Các kiểu hộp số tự động và bán tự động như hộp số tự động kiểu biến mô thủy lực (AT), hộp số vô cấp (CVT), hộp số ly hợp kép (DCT) và hộp số kết hợp trên xe Hybrid đã được áp dụng hiệu quả Tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu của từng dòng xe, các nhà sản xuất ô tô sẽ lựa chọn loại hộp số điều khiển phù hợp.
Hộp số vô cấp CVT tương tự như hộp số tự động AT truyền thống, nhưng nổi bật với khả năng thay đổi tỷ số truyền liên tục Nhờ vào sự phát triển của công nghệ điều khiển điện tử, việc điều khiển hộp số CVT hiện nay được thực hiện thông qua mô đun điều khiển điện tử (ETC).
Hộp số vô cấp CVT (Electronic Transmission Control) khác với hộp số tự động thông thường ở chỗ không sử dụng biến mô thủy lực để thay đổi tỷ số truyền, mà áp dụng bộ truyền động bánh đai hoặc kiểu con lăn Các pu-ly chủ động và bị động có khả năng thay đổi đường kính, nhưng do kích thước hạn chế, tỷ số truyền chỉ có thể thay đổi trong một phạm vi nhất định Sự thay đổi tỷ số truyền diễn ra không rộng rãi và bị giới hạn bởi kích thước của bánh chủ động và bánh bị động Nhờ vào tính liên tục, quá trình chuyển đổi diễn ra êm ái và gần như không bị tổn thất công suất, khác với hộp số tự động kiểu biến mô thủy lực Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ hộp số vô cấp đã được thực hiện và công bố qua các hội thảo, hội nghị, cũng như trên các tạp chí khoa học.
Nghiên cứu của Theo [21], cùng với các tác giả Sameh Bdran, Samo Saifullah và Ma Shuyuan (2012), đã thực hiện một tổng quan về các giải pháp điều khiển cho hộp số vô cấp (CVT) kiểu puly và dây đai Các giải pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền động.
In their 2003 study, Michiel Pesgens, Bas Vroemen, Frans Veldpaus, and Maarten Steinbuch explored the challenges of controlling continuously variable transmissions (CVT) in experimental automobiles.
- Theo [23], Bashar Alzuwayer, Aviral Singh, Prasanth Muralidharan, Zhijun Han
Năm 2016, một nghiên cứu đã được thực hiện về mô hình cơ bản của hệ thống điều khiển áp suất thủy lực cho truyền động hộp số vô cấp (CVT) kiểu puly dây đai.
Nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống truyền động vô cấp CVT kiểu puly dây đai mang lại hiệu suất truyền động vượt trội, từ đó cải thiện đáng kể vấn đề tiêu hao nhiên liệu cho ô tô.
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NHIÊN LIỆU CHO Ô TÔ Ở VIỆT
Nghiên cứu về việc sử dụng hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô là một vấn đề quan trọng, không chỉ thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học toàn cầu mà còn của các chuyên gia trong nước Hiện nay, nhiều công trình và giải pháp nghiên cứu đã được công bố và được cộng đồng khoa học quốc tế công nhận Những nghiên cứu này đã được áp dụng thực tiễn và mang lại những kết quả khả quan.
Công nghệ Hybrid cho ô tô và xe máy, được nghiên cứu và phát triển bởi GS.TSKH Bùi Văn Ga, nhằm giảm thiểu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, tiết kiệm nhiên liệu và hạn chế ô nhiễm môi trường.
Bên cạnh đó, các giải pháp nghiên cứu phát triển nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu cho ô tô cũng đã được quan tâm nghiên cứu như:
Theo nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Văn Sơn và Lê Văn Tụy (HD khoa học - 2012), bộ xúc tác tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô và xe máy đã được thực nghiệm cả trong phòng thí nghiệm lẫn trên thực địa Tuy nhiên, hiệu quả thực sự của công nghệ này vẫn chưa được khẳng định rõ ràng và còn nhiều tranh cãi trong giới khoa học cũng như trong xã hội.
- Còn theo các tác giả Lê Văn Tụy, Nguyễn Tất Thành, Nguyễn Tiến Lợi (2012)
Vấn đề tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao tính an toàn cho ô tô tập lái đang được nghiên cứu kỹ lưỡng, nhằm không chỉ giảm thiểu mức tiêu thụ nhiên liệu mà còn cải thiện an toàn và kéo dài tuổi thọ của xe.
Tác giả Phạm Quốc Huy và Lê Văn Tụy (HD khoa học - 2017) đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ vận hành đến tiêu hao nhiên liệu của ô tô sử dụng hộp số tự động AT với biến mô thủy lực Kết quả cho thấy rằng sự trượt của biến mô thủy lực trong các chế độ vận hành có gia tốc mạnh đã gây ảnh hưởng đáng kể đến mức tiêu hao nhiên liệu so với các chế độ vận hành khác.
Các tác giả Lê Văn Tụy và Phan Minh Đức (2017) đã sử dụng thiết bị chẩn đoán OBDLink Wifi để nghiên cứu tiêu hao nhiên liệu ô tô với hộp số tự động AT trong điều kiện thực tế Kết quả cho thấy, tiêu hao nhiên liệu khi chạy xe trong nội thị, đặc biệt khi dừng trước đèn đỏ và khởi hành lại, cao hơn rõ rệt so với khi di chuyển ở vùng ngoại ô.
Các giải pháp công nghệ ô tô không truyền thống, như ô tô điện và ô tô Hybrid, đã được nghiên cứu và phát triển nhằm giảm thiểu mức sử dụng nhiên liệu hóa thạch Những loại xe này không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ gây ra.
KẾT LUẬN CHƯƠNG
Nghiên cứu tổng quan chỉ ra rằng, cả trên thế giới và tại Việt Nam, vấn đề tiêu hao nhiên liệu cho động cơ đốt trong và ô tô đang được chú trọng nghiên cứu.
Để tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt, nhiều giải pháp đã được đề xuất Những biện pháp này không chỉ giúp giảm thiểu lượng nhiên liệu tiêu thụ mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông gây ra, nhờ vào việc hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Các giải pháp công nghệ ô tô không truyền thống như ô tô điện và ô tô Hybrid đã được nghiên cứu và phát triển thành công, giúp hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa thạch Những phương tiện này không chỉ tiết kiệm nhiên liệu mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường do khí thải.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TIÊU HAO NHIÊN LIỆU Ô TÔ
2.1.1 Phương trình tiêu hao nhiên liệu ô tô
Tính kinh tế nhiên liệu ô tô được xác định qua mức tiêu hao nhiên liệu trên mỗi đơn vị quãng đường, thường được đo bằng kg cho mỗi mét Công thức tính mức tiêu hao này giúp đánh giá hiệu quả sử dụng nhiên liệu của xe.
Giả sử sau thời gian t[h] , xe chạy được quãng đường S[m] và tiêu thụ hết Q[kg] nhiên liệu được tính theo công thức:
Gh[kg/h] là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ hoạt động của động cơ, trong khi th là thời gian mà động cơ làm việc và tiêu thụ hết Q[kg] nhiên liệu.
Quãng đương xe chạy được S[m] sau thời gian th[h], với vận tốc Vk[km/h] là:
! ! !" ! (2 4) Tính cho 100.000[m] hay 100[km] theo đơn vị lít (thay cho kg), ta có mức tiêu hao nhiên liệu tính theo đơn vị mới Qnl[lít/100km]:
! !" (2 5) Ở đây ρnl[kg/lít] là tỷ trọng nhiên liệu; Vh[km/h] là vận tốc xe được đo giá trị thông qua cảm biến tốc độ của xe
Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ Gh[kg/h] được xác định thông qua cảm biến đo lưu lượng khối lượng Theo lý thuyết động cơ đốt trong, nhiên liệu cung cấp cho động cơ tạo ra công suất có ích Ne[W], sau đó được truyền qua hệ thống truyền lực đến bánh xe chủ động Nk Tại bánh xe, công suất này phải vượt qua các công suất cản khi ô tô di chuyển với vận tốc Vk[km/h].
Như vậy, khi ô tô chuyển động, công suất của động cơ phát ra sẽ được biểu thị theo phương trình cân bằng công suất như sau:
! ! (2 6) Ở đây ηt là hiệu suất hệ thống truyền lực Công thức (2.6) có thể viết lại:
Trong đó, F ψ, Fw và Fj lần lượt đại diện cho lực cản tổng cộng của đường, lực cản gió và lực quán tính, được đo bằng đơn vị Newton [N] Tốc độ tiến của xe được ký hiệu là V và tính bằng mét trên giây [m/s] Để đánh giá mức độ tiêu thụ nhiên liệu của động cơ, người ta sử dụng chỉ tiêu suất tiêu hao nhiên liệu có ích, thường được tính bằng [kg/kW.h] và xác định theo công thức: ge = ! !
Trong đó Gh là lượng tiêu hao nhiên liệu giờ, tính bằng [kg/h]; còn Ne là công suất hữu ích của động cơ, tính bằng [kW]
Thay (2.7) và (2.8) vào (2.5) ta được:
Chú ý rằng Vk = V.3,6 trong đó Vk tính bằng [km/h]; còn V tính bằng [m/s]; nên công thức (2.9) được viết lại là:
Phương trình (2.10) mô tả mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô trong trường hợp tổng quát Khi ô tô di chuyển ổn định trên đường nằm ngang mà không có gia tốc (độ dốc i = 0), phương trình tiêu hao nhiên liệu sẽ được xác định cụ thể.
Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ (ge) được tính bằng [kg/kW.h], trong khi G đại diện cho trọng lượng của ô tô [N] Hệ số cản lăn của lốp với mặt đường được ký hiệu là f [-], và k là hệ số dạng khí động, biểu thị cho hệ số cản không khí trên một đơn vị diện tích cản chính diện của xe [Ns 2 /m 4] Diện tích cản chính diện của xe (A) được đo bằng [m 2], và tốc độ chuyển động tính tiến của xe (V) được tính bằng [m/s] Hệ số hiệu chỉnh thứ nguyên là số 36, trong khi hiệu suất hệ thống truyền lực được ký hiệu là ηt [-] Cuối cùng, tỷ trọng nhiên liệu (ρnl) được tính bằng [kg/lít].
Từ các phương trình (2.10) và (2.11) ta có các nhận xét sau đây:
Mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô giảm khi suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ giảm Điều này có nghĩa là nếu động cơ được thiết kế với cấu trúc và quá trình cháy hoàn hảo, thì mức tiêu hao nhiên liệu sẽ được cải thiện đáng kể.
+ Tình trạng làm việc của hệ thống truyền lực không tốt sẽ làm giảm hiệu suất truyền lực và làm tăng tiêu hao nhiên liệu của ô tô
+ Khi các lực cản chuyển động tăng lên thì mức tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng
Quá trình tăng tốc ô tô dẫn đến việc tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn, mặc dù xe có thể lăn trơn sau đó Tuy nhiên, việc lăn trơn không thể bù đắp cho tổn thất công suất mà quá trình tăng tốc gây ra.
2.1.2 Đừơng đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô khi chuyển động ổn định
Việc sử dụng phương trình (2.10) để phân tích và tính toán tiêu hao nhiên liệu gặp nhiều khó khăn do suất tiêu hao nhiên liệu hữu ích ge của động cơ phụ thuộc vào số vòng quay trục khuỷu ne và mức độ sử dụng công suất động cơ YN Do đó, để làm rõ vấn đề này, cần xây dựng đường đặc tính tiêu hao nhiên liệu của ô tô.
Dựa vào thí nghiệm động cơ trên băng thử, chúng ta có thể lập đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ theo mức độ sử dụng công suất, biểu diễn dưới dạng hàm ge = f(YN) tương ứng với các số vòng quay khác nhau của động cơ, như được thể hiện trong Hình 2.1.
Hình 2 1 Đồ thị đặc tính tải của động cơ đốt trong
Qua đồ thị này ta có nhận xét sau:
Khi mức độ sử dụng công suất động cơ tăng và số vòng quay trục khuỷu giảm, mức tiêu hao nhiên liệu ô tô sẽ giảm do ge giảm Do đó, tại cùng một mức độ sử dụng công suất động cơ (điểm Y N1), suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ ge sẽ giảm khi số vòng quay trục khuỷu động cơ giảm dần.
Khi số vòng quay giảm xuống một mức nhất định, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng Tương tự, khi mức độ sử dụng công suất tăng đến một ngưỡng nào đó, suất tiêu hao nhiên liệu cũng sẽ gia tăng.
Bản đồ tiêu hao nhiên liệu của động cơ được trình bày trong Hình 2 cho thấy rằng theo nguyên lý của động cơ đốt trong, suất tiêu hao nhiên liệu chỉ đạt giá trị tối thiểu (gemin) ở một số điều kiện nhất định.
Khi mức tải và số vòng quay của động cơ vượt ra ngoài vùng làm việc tối ưu, suất tiêu hao nhiên liệu sẽ tăng lên Sự gia tăng này trở nên rõ rệt hơn khi động cơ hoạt động xa khỏi vùng làm việc tối ưu, dẫn đến hiệu suất sử dụng nhiên liệu kém.
Hình 2 2 Bản đồ biểu diễn suất tiêu hao nhiên liệu động cơ
Để xác định đặc tính mức tiêu hao nhiên liệu ô tô theo phương trình (2.9), cần phải hiểu rõ đặc tính thực nghiệm của suất tiêu hao nhiên liệu động cơ ge = f(ne, YN), như thể hiện trong Hình 2.1.