MỞ ĐẦU 1. Tổng quan: Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến đổi điện áp thấp trên ô tô (12V hay 24V) của ắc- quy thành các xung điện thế cao (từ 15 kV - 40 kV) phân bố đến bu-gi trên xy-lanh tương ứng theo thứ tự làm việc của động cơ ở thời điểm hợp lý để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng cháy [1, 2, 3]. Trong quá trình hoạt động, cuộn sơ cấp của hệ thống đánh lửa sinh ra sức điện động tự cảm khoảng 100 V đến 300 V [1, 2, 3]. Sức điện động tự cảm này gây hư hỏng các thiết bị đóng ngắt, ảnh hưởng đến quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp và gây nhiễu đến các thiết bị điện khác trên xe.
Để giải quyết các vấn đề trên, tụ điện thường được sử dụng trên hệ thống. Tuy vậy, biện pháp này có một khuyết điểm là chưa tận dụng được năng lượng do sức điện động tự cảm sinh ra. Ở mô hình đánh lửa lai hỗn hợp điện dung - điện cảm, năng lượng tự cảm sinh ra được tích lũy vào một tụ điện và tái sử dụng năng lượng này cho lần đánh lửa tiếp theo. Tụ điện này, vừa giúp tiết kiệm năng lượng đánh lửa, nâng cao chất lượng của quá trình đánh lửa; vừa giúp bảo vệ cho thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp khỏi các tác hại của sức điện động tự cảm trên, đồng thời nâng cao được chất lượng đánh lửa trên hệ thống và chống nhiễu cho các thiết bị điện khác trên ô tô.
Đề tài “Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống đánh lửa Hybrid” nhằm mục đích đánh giá công suất; mức tiêu hao nhiên liệu và chất lượng khí thải của động cơ được thử nghiệm theo qui trình tiêu chuẩn trên mô hình hệ thống đánh lửa lai.2 Tình hình nghiên cứu đề tài: 1.1 Trong nước: Bài báo “ Tính toán sức điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai” của nhóm tác giả Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan Nguyễn Quí Tâm, Lê Khánh Tân đăng ở tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật số 32 [4]. Bài báo đưa ra được mô hình của hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung - điện cảm, trình bày các tính toán sức điện động tự cảm trên mạch sơ cấp của hệ thống đánh lửa 9 Luan van lai hỗn hợp điện dung điện cảm và các kết quả thực nghiệm. Các kết quả tính toán và thực nghiệm giúp xác định dạng dao động và các thông số tác động lên các dao động nêu trên. Hình 1: Mạch đánh lửa lai Các công thức tính cường độ dòng điện cuộn sơ cấp i1(t) và sức điện động tự cảm V1(t): 𝑖 (𝑡) = 𝑎𝑒 𝑥𝑡 cos (𝑦𝑡) + 𝑧𝑒 𝑥𝑡 sin(𝑦𝑡) 𝑉1 (𝑡) = −𝐿1 [(𝑎𝑥 + 𝑧𝑦) 𝑒 𝑥𝑡 cos(𝑦𝑡) + (𝑥𝑧 − 𝑎𝑦)𝑒 𝑥𝑡 sin (𝑦𝑡)] So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Hình 2: So sánh điện áp cực đại của sức điện động tự cảm tính toán V1 với các giá trị thực nghiệm ở các thời gian tích lũy năng lượng khác nhau Sai lệch kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng của sức điện động tự cảm vào khoảng 10%.
Từ khóa: Sức điện động tự cảm, mạch sơ cấp, hệ thống đánh lửa lai, dao động. 10 Luan van Bài báo “Nghiên cứu mô hình đánh lửa Hybrid” của nhóm tác giả Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Lê Khánh Tân đăng ở Hội nghị Khoa học và Công nghệ toàn quốc về Cơ khí lần thứ IV [5]. Bài báo trình bày nghiên cứu về mô hình hệ thống đánh lửa bao gồm hai kiểu đánh lửa riêng biệt, trong lần đánh lửa điện cảm, năng lượng tự cảm “thừa” sẽ được tích lũy vào một hay nhiều tụ điện và phần năng lượng này sẽ được sử dụng vào quá trình đánh lửa điện dung tiếp theo. Việc tận dụng năng lượng tự cảm này sẽ giúp tiết kiệm năng lượng sử dụng trên hệ thống đánh lửa.
Qua đó giúp tiết kiệm nhiên liệu sử dụng và giảm phát thải trên ô tô. Hình 3: Mô hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm có khả năng tích lũy năng lượng tự cảm Hình 4: Điện áp trên bo-bin (a) và trên hai bản cực của tụ điện (b) 11 Luan van Hình 5: Dạng sóng của dòng điện (a), điện áp qua cuộn sơ cấp của bo-bin đánh lửa điện cảm (b) và điện áp trên bo-bin đánh lửa điện dung (c) trên mô hình sử dụng một tụ điện Năng lượng tích lũy được trên tụ có dung lượng C = 2 μF đạt 9,36 mJ với thời gian tích lũy năng lượng tng = 2,67 ms, dòng điện cực đại I = 3,345 A, điện thế U= 12,54 V, R = 1,2 Ω và L = 2,67 mH. Năng lượng đánh lửa điện cảm QL = 15,55 mJ. Hai mô hình tích lũy năng lượng: 1.
Mô hình mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt 2. Mô hình mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng một bo-bin Hình 6: Mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt 12 Luan van Hình 7: Mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng một bo-bin Từ khóa: tích lũy năng lượng, đánh lửa điện dung, đánh lửa điện cảm, đánh lửa lai, khí xả. Bài báo “Nghiên cứu chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực tiếp”, nhóm tác giả Lâm Bá Nha, Nguyễn Khắc Bằng và Ngô Thanh Hà [6]. Bài báo trình bày việc thực nghiệm chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn trên động cơ TOYOTA 5A-F thành hệ thống đánh lửa trực tiếp theo hai phương án: 1.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp bo-bin đôi 2. Hệ thống đánh lửa trực tiếp bo-bin đơn Các kết quả thực nghiệm: Hình 8: Biểu đồ lượng nhiên liệu tiêu thụ trung bình trong 1 phút của động cơ 5A-F 13 Luan van Hình.9: Đồ thị M, P của động cơ 5A-F Việc chuyển đổi giúp cải thiện các thông số đánh lửa, tăng công suất, tăng moment, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường. Khi chuyển đổi từ hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực tiếp thì phương án sử dụng bo-bin đơn cho kết quả tốt nhất. Các nghiên cứu về tối ưu hóa thời điểm đánh lửa và điện tử hóa hệ thống như: Đề tài “Thiết kế mạch điều khiển góc đánh lửa sớm cho động cơ M161, Mercedes- Benz 140”, TS Lê Văn Tụy, Nguyễn Viết Thuận [7].
Đề tài “Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các hệ thống đánh lửa đang sử dụng phổ biến trên ô tô ở Việt Nam và khả năng lắp lẫn” GVC.ThS Nguyễn Văn Thình, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Đỗ Quốc Ấm, Nguyễn Văn Long Giang [8]. Nhận xét: Các công trình nghiên cứu trong nước tập trung vào việc tối ưu hóa thời điểm đánh lửa, thay đổi các chi tiết và điện tử hóa hệ thống đánh lửa trên động cơ. Các nghiên cứu về hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện cảm – điện dung mới chỉ dừng trên việc nghiên cứu lý thuyết, chưa thử nghiệm trên thực nghiệm và chưa đánh giá được khả năng tiết kiệm năng lượng cũng như bảo vệ các chi tiết khác trên hệ thống đánh lửa.2 Ngoài nước: 14 Luan van Công trình “Thiết bị đánh lửa cho động cơ đốt trong” của tác giả Charles F Kettering, Patent US1037491 [9]. Hình 10: Sơ đồ thiết bị đánh lửa cho động cơ đốt trong Đây là hệ thống đánh lửa điện cảm được sử dụng phổ biến trên động cơ xăng.
Hệ thống gồm có accu B, tiếp điểm I, bộ chia điện T, bo-bin bao gồm cuộn sơ cấp P và cuộn thứ cấp S. Khi tiếp điểm I đóng, dòng điện chạy từ accu B qua bộ chia điện T xuống tiếp điểm I về mass. Khi đến thời điểm làm việc, tiếp điểm K ngắt làm dòng sơ cấp giảm đột ngột, trên cuộn thứ cấp xuất hiện điện áp đánh lửa vào khoảng 15 kV – 40 kV, làm xuất hiện tia lửa trên bu-gi để đốt cháy hỗn hợp. Hệ thống này có cấu trúc đơn giản và thời gian phóng điện dài.
Tuy nhiên hệ thống cũng cần thời gian tích lũy năng lượng dài và thời gian phóng điện phụ thuộc vào lượng năng lượng tích lũy. Công trình “Thiết bị đánh lửa cho động cơ xăng” của Nikola Tesla, Patent US609250 [10]. 15 Luan van Hình 11: Sơ đồ thiết bị đánh lửa cho động cơ xăng Đây là hệ thống đánh lửa điện dung thường được sử dụng trên xe máy hoặc trên các loại động cơ cỡ nhỏ. Hệ thống bao gồm accu E, tụ điện G, bo-bin gồm cuộn sơ cấp F và cuộn thứ cấp H và bu-gi L.
Năng lượng sẽ được tích lũy trên tụ G từ mạch nạp, khi đến thời điểm đánh lửa, bu-gi sẽ nhận năng lượng từ tụ xả qua làm xuất hiện tia lửa. Hệ thống này có thời gian tích lũy năng lượng ngắn, hiệu điện thế thứ cấp tăng trưởng nhanh; nhưng lại có thời gian phóng điện và thời gian duy trì tia lửa trên bu-gi ngắn. Công trình “Hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung điện cảm” của tác giả Martin E.Gerry, Patent US4288723 [11]. Hình 12: Sơ đồ hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung điện cảm 16 Luan van Hệ thống bao gồm một bộ biến áp có cuộn sơ cấp mắc song song với tụ điện (tụ 80) và được cấp một xung điện xoay chiều liên tục trong một chu kỳ đánh lửa, làm cho tụ điện phóng nhiều lần qua cuộn sơ cấp.
Việc phóng nạp liên tục của tụ giúp tạo ra nhiều xung điện áp cao thế ở cuộn thứ cấp trong một chu kỳ đánh lửa. Ắc-quy 12 cung cấp dòng điện đến tiếp điểm 21 và cuộn dây 31 của mạch tạo nguồn AC 30, cuộn dây 32 cung cấp điên áp đến cuộn sơ cấp 71 và tụ điện 80. Khi tiếp điểm 21 đóng, dòng chạy từ nguồn 12 đến cuộn dây 31, không có dòng chạy trong cuộn dây 32. Khi tiếp điểm 21 ngắt, dòng AC sinh ra ở cuộn 32 cấp cho cuộn sơ cấp 71 và tụ điện 80.
Tụ điện được sạc đầy và rất nhanh trong khoảng thời gian từ t0 đến t1, trong khoảng thời gian từ t1đến t2 tiếp theo, tụ điện phóng điện qua cuộn sơ cấp 71, trong khoảng từ t2 đến t3 tụ tiếp tục được sạc và tiếp tục phóng điện trong khoảng thời gian từ t3 đến t4. Tiếp tục như vậy, trong một chu kỳ đánh lửa, tụ điện phóng nhiều lần qua cuộn sơ cấp, có thể làm thay đổi từ thông đến 60 lần thay vì chỉ một lần trong các hệ thống thông thường. Hệ thống này chỉ sử dụng có một tiếp điểm là tiếp điểm 21 nên giảm tổn thất năng lượng.