Tìm Hiểu Về Cấu Tạo Và 5 Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ Hybrid

684 lượt xem

Ở bài viết trước,ta đã tìm hiểu khái quát xe hybrid là gì?. Ở bài viết lần này, chúng ta hãy cùng đi sâu hơn về động cơ xe Hybrid. Vậy động cơ dòng xe xăng lai điện này có cấu tạo và nguyên lý làm việc như thế nào?. Mẫu động cơ này có các ưu và nhược điểm gì? Hãy cùng ô tô Hoàng Gia Phát tìm hiểu dưới bài viết nhé.

động cơ hybrid
Động cơ Hybrid là gì?

Giới thiệu về động cơ Hybrid

Động cơ Hybrid là gì?

Động cơ Hybrid hay còn gọi là động cơ xăng lai điện. Là loại động cơ có cấu tạo được kết hợp từ 2 bộ truyền động bao gồm một động cơ đốt trong và ít nhất một động cơ điện. Hai mẫu động cơ này được kết hợp với 3 mục đích chính sau đây:

  1.  Giảm tối đa mức tiêu hao nhiên liệu, giúp tiết kiệm nhiên liệu cho người dùng
  2.  Làm giảm lượng khí thải ra môi trường. Nhằm đáp ứng những điều kiện ngày càng khắt khe của các nước về yêu cầu khí thải trên xe oto.
  3. Tăng thêm sức mạnh cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện và các tiện nghi trên xe. Các tiện ích tiện nghi trên các dòng ô tô hiện nay càng ngày càng hiện đại. Vấn đề cung cấp năng lượng cho các thiết bị này không còn là vấn đề đối với xe hybrid

Công nghệ hybrid trên ô tô tạo ra sự kết hợp hài hòa giữa 2 động cơ, đưa các dòng xe Hybrid lên một tầm cao mới . Chính vì vậy mẫu động cơ này cũng đáp ứng được những tiêu chí cao của người dùng. Chúng ta có thể di chuyển trên phố, trong nội thành có tình trạng giao thông ùn tắc hoặc đi uống cà phê với bạn bè, đi chơi với người yêu trên những cung đường ngắn mà lượng nhiên liệu tiêu thụ là không đáng kể. Và ngược lại, khi có nhu cầu đi xa, đi du lịch với gia đình, bạn không cần phải lo lắng về vấn đề tìm kiếm trạm sạc vì động cơ đốt trong đảm nhận việc này.

Các loại động cơ hoạt động hybrid

Hiện nay, có 3 loại động cơ vừa chạy xăng vừa chạy điện phổ biến trên thế giới:

+ Động cơ Hybrid nối tiếp:

Ở loại động cơ này, động cơ điện hoàn toàn đảm nhận vai trò dẫn động và tạo động năng cho bánh xe. Động cơ đốt trong chỉ có vai trò là máy phát điện, tạo ra nguồn điện để nạp cho Pin và ắc quy của động cơ điện.

động cơ Hybrid nối tiếp
Hệ thống động cơ hybrid nối tiếp

+ Động cơ  Hybrid song song:

Động cơ đốt trong làm nhiệm vụ truyền  động năng cho bánh xe thông qua các hệ thống truyền động. Động cơ điện có vai trò hỗ trợ động cơ đốt trong khi xe cần tăng tốc hoặc cần dùng nhiều sức kéo hơn. Hai động xăng và điện có thể hoạt động song song, luân phiên hoặc độc lập tùy theo điều kiện địa hình và nhu cầu người lái.

Động cơ hybrid song song
Hệ thống động cơ Hybrid song song

+ Động cơ Hybrid hỗn hợp:

Động cơ điện và động cơ đốt trong cùng cung cấp năng lượng và truyền tải động năng cho bánh xe thông qua bộ điều khiển. Động cơ điện đốt trong tạo ra năng lượng cung cấp cho máy phát điện để nạp điện cho ắc quy. Đây là loại động cơ hybrid phổ biến nhất hiện nay, tập hợp ưu điểm của 2 loại động cơ nối tiếp và song song.

Động cơ hybrid hỗn hợp
hệ thống động cơ Hybrid hỗn hợp

Cấu tạo động cơ chạy hybrid

Động cơ đốt trong:

Về cơ bản, cấu tạo động cơ đốt trong trên oto hybrid cũng giống như các loại động cơ đốt trong thông thường khác. Dựa vào quá trình dãn nở khí và đốt cháy nhiên liệu trong xy lanh để tạo ra công cơ học. Cấu tạo bao gồm:

+ xy lanh

+ pit-tông

+ thanh truyền

+ trục khuỷu

+ hệ thống nạp

+ hệ thống làm mát v…v

Do năng lượng và động năng của xe Hybrid không phụ thuộc hoàn toàn vào động cơ đốt trong. Nên các động cơ này thường có công suất, khối lượng và kích thước nhỏ hơn các loại động cơ đốt trong thông thường. Việc này giúp tối ưu hóa quá trình vận hành của xe.

Động cơ điện:

Là tổ hợp bao gồm:

+ Máy phát điện

+ Motor điện

+ Hệ thống dẫn động máy phát điện

Cấu tạo động cơ hybrid
Cấu tạo động cơ Hybrid (bên trái là động cơ đốt trong, bên phải là động cơ điện và máy phát)

Máy phát điện được kết nối với động cơ đốt trong thông các bánh răng hành tinh của hệ thống dẫn động (gọi là hệ thống dẫn động máy phát điện). Hệ thống dẫn động truyền chuyển động quay từ động cơ đốt trong đến rô tơ của máy phát điện để tạo ra dòng điện. Dòng điện này được vào nạp tích trữ vào Pin hoặc trong một số trường hợp có thể cung cấp trực tiếp cho motor điện trong một số trường hợp.  Tổ hợp động cơ điện được dùng để bổ sung cho động cơ đốt trong hoặc thay thế trong một khoảng thời gian ngắn nhất định. Chúng sử dụng năng lượng từ Pin để làm quay động cơ và đề nổ xe.

Pin hybrid:

Được làm từ các kim loại hiếm trong tự nhiên như NiKen, chì ,co ban, kẽm.v.v. Pin được sạc qua máy phát điện thông qua quá trình truyền chuyển động của động cơ đốt trong đến máy phát.

Đối với các dòng xe Full Hybrid, Pin được sạc qua máy phát điện thông qua quá trình truyền chuyển động của động cơ đốt trong đến máy phát hoặc cũng có thể tự sạc thông qua quá trình tái tạo năng lượng mà hoàn toàn không cần dùng đến bộ sạc.

Ngược lại,trên dòng xe Plug-in Hybrid, pin không sạc bằng động cơ đốt trong thông qua máy phát điện mà phải sạc trực tiếp bằng bộ sạc ngoài.

Bộ điều khiển hybrid (Hybrid Control Unit – HCU):

bộ điều khiển hybrid-HCU
Hình ảnh: Bộ điều khiển hybrid-HCU (bên trong là các bo mạch và chíp điều khiển)

Là đầu não trung tâm, HCU là bộ điều khiển chính của hệ thống động cơ Hybrid. Bộ điều khiển Hybrid có vai trò điều khiển động cơ điện, động cơ đốt , Pin cao áp, hệ thống sạc Pin và các bộ phận khác trong hệ thống truyền động của động cơ xe. Thông qua việc lấy dữ liệu của các cảm biến trên xe, HCU sẽ điều khiển các bộ phận trong hệ thống truyền động Hybrid và truyền tải năng lượng của Pin để vừa tạo ra hiệu suất cao vừa tiết kiệm nhiên liệu nhất có thể. Cấu tạo bộ điều khiển bao gồm:

+ Vi sử lí

+ Bộ nhớ

+ Mạch điện tử

+ Cổng kết nối

+ Phần mềm điều khiển

Hệ thống truyền động:

Mô hình hệ thống truyền động Hybrid
Mô hình hệ thống truyền động Hybrid

Nguồn cung cấp năng lượng là khác biệt lớn nhất trong hệ thống truyền động của xe Hybrid. Hệ thống truyền động dòng xe thường chỉ có duy nhất nguồn năng lượng từ động cơ đốt trong. Hệ thống truyền động trên xe Hybrid có 2 nguồn cung cấp năng lượng từ động cơ điện và động cơ đốt trong. Cấu tạo hệ thống truyền động trên ô tô lai Hybrid là tất cả các bộ phận liên quan đến quá trình truyền tải công suất từ động cơ đến bánh xe để tạo ra sự di chuyển bao gồm cả các bộ phận điện tử.Chịu trách nhiệm điều khiển và vận hành quá trình này. Dưới đây là các bộ phận trong hệ thống truyền động hybrid :

+ Động cơ điện

+ Động cơ xăng

+ Hộp số ̣( Bộ phận giúp chuyển đổi công suất từ động cơ đến bánh xe)

+ Pin cao áp

+ Bộ điều khiển hybrid (HCU)

Hệ thống phanh tái sinh (RBS)

Hệ thống phanh tái sinh

Công nghệ phanh tái sinh hay còn gọi là phanh thu hồi năng lượng. Hệ thống phanh hiện đại này giúp thu hồi năng lượng và chuyển động năng và nhiệt năng thành điện năng để sạc cho pin. Nói một cách đơn giản, khi phanh xe động cơ điện sẽ đảo chiều quay và chuyển thành máy phát điện với cơ chế ngược lại với động cơ. “Máy phát điện” này biến động năng và nhiệt năng được sinh ra trong quá trình phanh thành điện năng và nguồn điện này sẽ được nạp và lưu trữ vào Pin của xe Hybrid. Khi đảo chiều chuyển động, “máy phát điện” tạm thời này sẽ tạo ra các mô-men xoắn có chiều ngược lại chuyển động của xe để tạo ra lực hãm và làm cho xe dừng lại.

Bộ sạc Hybrid:

Về cơ bản, trong bộ sạc của các dòng xe hybrid đều có hệ thống điều khiển để quá trình sạc Pin xe diễn ra an toàn và hoàn toàn tự động. Tuy nhiện, tùy vào loại xe Hybrid mà việc sạc Pin có thể tự động hay phải kết nối với nguồn điện bên ngoài.

Các xe Full Hybrid có khả năng tự sạc điện mà không cần kết nối với nguồn điện bên ngoài. Hệ thống sạc của dòng xe này bao gồm

+ Phanh tái sinh:.Tái tạo năng lượng dư thừa trong quá trình phanh và giảm tốc để chuyển hóa thành điện năng và sạc cho Pin

+ Động cơ đốt trong. Là bơm điện, làm quay máy phát điện để tạo ra dòng điện và sạc Pin cho động cơ Hybrid

+ Hệ thống điều khiển sạc

Xe Plug-in Hybrid không thể tự sạc như các xe Full-Hybrid mà phải kết nối trực tiếp với nguồn điện bên ngoài thông qua một bộ sạc Pin chuyên dụng. Có 2 loại bộ sạc kết nối trực tiếp với nguồn điện bên ngoài:

trạm sạc xe hybrid
Trạm sạc Hybrid thường được đặt tại các địa điểm

+ Trạm sạc: Thường được đặt tại các địa điểm công cộng. Có công suất và khả năng truyền tải dòng điện lớn. Đa phần các trạm sạc thường có một cây sạc nhanh. Các trạm sạc có thể hỗ trợ nhiều loại đầu cắm khác nhau như CCS, CHAdeMO, hoặc Type2. Chủ xe sẽ phải mất phí nếu sử dụng dịch vụ tại các trạm sạc

+ Bộ sạc di động: Được thiết kế nhỏ gọn để dễ dàng mang theo. Với bộ sạc di động bạn chỉ cần ổ điện dân dụng 220V là có thể sạc Pin cho . Tuy nhiên thời gian sạc bằng bộ sạc di động là khá lâu do công suất thấp.

Nguyên lý hoạt động của xe hybrid

5 Nguyên lý vận hành ô tô hybrid:

  1. Khi xe bắt đầu khởi động và di chuyển với tốc độ thấp. Chỉ có duy nhất động cơ điện hoạt động. Lúc này động cơ xăng vẫn đang trong chế độ nghỉ, Pin là nguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho động cơ điện nên lúc này xe rất ít tiếng ồn và gần như không tiêu thụ nhiên liệu.
  2. Khi bạn bắt đầu nhấn chân ga và tăng tốc. Trạng thái này còn tùy thuộc vào độ nhấn ga của bạn, nếu chỉ đạp nhẹ chân ga lúc này động cơ điện vẫn hoạt động. Khi bạn đạp mạnh chân ga và tăng tốc đột ngột, lúc này động cơ xăng sẽ hoạt động kết hợp với động cơ điện để tạo ra công suất mạnh mẽ giúp xe động cơ Hybrid tăng tốc mượt mà và ổn định.
  3. Khi ắc quy hết năng lượng để cung cấp cho động cơ điện. Lúc này động cơ xăng sẽ làm quay động cơ điện và sử dụng nguồn điện tạo ra để dẫn động bánh xe và sạc lại cho Pin
  4. Khi xe phanh, giảm tốc. Động cơ điện sẽ sử dụng động năng thừa của xe để làm mát máy quay và chuyển hóa thành điện năng và sạc ngược lại vào Pin hybrid
  5. Chế độ nghỉ. Ở chế độ này động cơ điện và động cơ xăng sẽ tự động tắt để bảo toàn năng lượng. Nhiên liệu sẽ không bị lãng phí khi xe ngưng hoạt động.
cơ chế hoạt động xe hybrid
Cơ chế hoạt động xe hybrid

Cơ chế sạc điện cho pin Hyprid

Cơ chế sạc điện cho Pin còn phụ thuộc vào loại xe Hybrid bạn đang dùng:

+ Dòng xe Full – Hybrid có cơ chế tự sạc để vận hành. Việc sạc điện trên các dòng xe này hoàn toàn không cần dùng đến nguồn điện bên ngoài. Khi Pin gần hết động cơ đốt trong sẽ làm quay máy phát để tạo ra dòng điện sạc vào Pin. Công nghệ Full-Hybrid tiên tiến hiện nay còn cho phép chuyển đổi nguồn năng lượng dư thừa của động cơ đốt trong thành điện năng và tích trữ vào Pin. Khi xe đang trong quá trình phanh hoặc giảm tốc động năng và nhiệt năng dư thừa sẽ được hệ thống phanh tái sinh chuyển đổi thành điện năng và nạp lại vào Pin.

+ Dòng xe Plug-in Hybrid có cơ chế sạc Pin cho động cơ Hybrid tương tự các dòng xe Full-Hybrid. Tuy nhiên quá trình này không sạc được quá nhiều nguồn năng lượng cho Pin. Việc tích trữ năng lượng trên các dòng xe này vẫn phụ thuộc chính vào các bộ sạc ngoài (trạm sạc, bộ sạc di động). Các dòng xe Plug-in Hybrid gần như không thể tự sạc để vận hành.

Ưu và nhược điểm của động cơ xăng lai điện

Ưu điểm động cơ xăng lai điện:

động cơ Hybrid tiết kiệm nhiên liệu
Xe Hybrid tiết kiệm nhiên liệu

+ Ưu điểm động cơ Hybrid tiết kiệm nhiên liệu và tránh lãng phí năng lượng. Đây là ưu điểm lớn nhất của mẫu động cơ Hybrid. Với việc di chuyển trên các cung đường ngắn, trong khu đô thị và di chuyển với vận tốc thấp hoàn toàn bằng điện nên các mẫu xe Hybrid nên mức tiêu thụ nhiên liệu của xe Hybrid rất thấp. Hệ thống phanh tái sinh chuyển đổi và tái tạo nguồn năng lượng dư thừa. Giúp xe tránh lãng phí và tiết kiệm nhiên liệu.

+Ưu điểm động cơ Hybrid có Hiệu suất năng lượng cao. Do được kết hợp từ 2 động cơ với 2 nguồn năng lượng. Xe xăng lai điện cho hiệu suất năng lượng cao hơn xe động cơ đốt trong thông thường. Hiệu suất được tối ưu khiến xe vận hành mượt mà và tăng cường khả năng tăng tốc của xe

+ Ưu điểm động cơ Hybrid giúp Giảm lượng khí thải. Do sử dụng nguồn nguyên liệu sạch và tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch. Xe Hybrid giảm đáng kể lượng CO2 thải ra môi trường. Góp phần bảo vệ môi trường và giảm thiểu các bệnh do ô nhiễm môi trường gây ra cho con người.

+ Ưu điểm động cơ Hybrid có tính linh hoạt cao. Xe hybrid khắc phục những hạn chế mà xe điện gặp phải khi phải di chuyển đường xa. Xe hybrid sử dụng năng lượng hoàn toàn bằng điện và chuyển sang sử dụng động cơ đốt trong hoặc sử dụng cùng lúc cả hai động cơ trên những quãng đường xa hơn.

ưu điểm ô tô hybrid thân thiện môi trường
Động cơ Hybrid rất thân thiện với môi trường

Nhược điểm động cơ xăng lai điện

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng mẫu động cơ xăng lai điện này phải đánh đổi bằng những nhược điểm nhất định sau đây:

+ Nhược điểm đầu tiên của động cơ xe Hybrid so với các xe cùng loại chỉ dùng động cơ đốt trong là giá thành cao. Do cấu tạo phức tạp phải dùng thêm nhiều bộ điều khiển và xử lí điện tử đi kèm giá Pin đắt đỏ là nguyên nhân chính khiến giá xe Hybrid đắt hơn hàng trăm triệu so với các xe cùng loại dùng một động cơ đốt trong

+ Nhược điểm thứ 2 của động cơ Hybrid là khối lượng nặng hơn các xe cùng loại. Do có thêm Pin, động cơ điện và một số bộ phận khác nên trọng lượng của xe Hybrid cao hơn các xe cùng loại đáng kể

+ Nhược điểm thứ 3 của động cơ Hybrid là chi phí bảo dưỡng và bảo trì cao. Do công nghệ phức tạp và chi phí bảo dưỡng , thay thế Pin đắt đắt đỏ.