Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa hybrid

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa hybrid, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Huỳnh Xuân Thành
• Người hướng dẫn: PGS. Lý Vĩnh Đạt
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Đánh Giá Khả Năng Tích Lũy Năng Lượng Trong Hệ Thống Đánh Lửa Hybrid
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỂ TÀI
• 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
• 1.2.1. CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC
• 1.2.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
• 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.5. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.6. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN CẢM
• 2.2. HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN DUNG
• 2.3. ĐẶC ĐIỂM ĐÁNH LỬA ĐIỆN CẢM – ĐIỆN DUNG
• 2.4. HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
• 2.5. LÝ THUYẾT ĐÁNH LỬA HYBRID
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐÁNH LỬA HYBRID
• 3.1. THIẾT KẾ MẠCH ĐÁNH LỬA HYBRID
• 3.2. MẠCH KÍCH SCR
• 3.3. MẠCH TẠO TÍN HIỆU IGF
• 3.4. CHỌN DUNG LƯỢNG TỤ CHO HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID
• 3.4.1. Thời gian nạp đầy tụ
• 3.4.2. Năng lượng tích lũy trên tụ
• 3.5. VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ
• 4.1. MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM
• 4.2. ĐỐI TƯỢNG, ĐẶC ĐIỂM, ĐỊA ĐIỂM THỰC NGHIỆM
• 4.2.1. Đối tượng thực nghiệm
• 4.2.2. Nội dung và đặc điểm thực nghiệm
• 4.2.3. Địa điểm thực nghiệm
• 4.3. NHIỆM VỤ, PHƯƠNG PHÁP, QUI TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.3.1. Phương pháp
• 4.3.2. Qui trình thực nghiệm
• 4.3.3. KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM
• 4.3.3.1. Thiết bị đo công suất: Thiết bị Dynoperform
• 4.3.3.2. Thiết bị đo lượng tiêu hao nhiên liệu
• 4.3.3.3. Thiết bị đo chất lượng khí thải
• 4.4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.4.1. Chế độ tải 20 % vị trí bướm ga
• 4.4.2. Chế độ tải 35 % vị trí bướm ga
• 4.4.3. Chế độ tải 50 % vị trí bướm ga
• 4.4.4. Chế độ tải 75 % vị trí bướm ga
• 4.4.5. Chế độ tải 100 % vị trí bướm ga
• 4.4.6. So sánh hai hệ thống đánh lửa. Khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống đánh lửa Hybrid
• 4.4.7. Đánh giá chất lượng khí thải
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đánh lửa hybrid

Hệ thống đánh lửa hybrid là sự kết hợp giữa hai loại hệ thống đánh lửa: điện cảm và điện dung. Đánh giá năng lượng trong hệ thống này cho thấy khả năng tích lũy năng lượng hiệu quả hơn so với các hệ thống truyền thống. Hệ thống này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Theo nghiên cứu, việc sử dụng công nghệ hybrid có thể giảm thiểu lượng điện năng tiêu thụ lên đến 25% cho động cơ xăng bốn xy-lanh. Điều này có ý nghĩa lớn trong bối cảnh hiện nay khi mà nhu cầu tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường ngày càng trở nên cấp thiết.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa hybrid

Hệ thống đánh lửa hybrid hoạt động dựa trên nguyên lý tích lũy năng lượng từ sức điện động tự cảm. Khi dòng điện qua cuộn sơ cấp bị ngắt, sức điện động tự cảm sẽ tạo ra điện áp cao, giúp nạp năng lượng vào tụ điện. Hiệu suất năng lượng của hệ thống này được cải thiện nhờ vào việc tận dụng năng lượng thừa từ cuộn dây. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu sự tiêu hao điện năng từ ắc-quy. Hệ thống này cũng giúp giảm thiểu các xung nhiễu, bảo vệ các thiết bị điện trên ô tô, từ đó nâng cao độ bền và hiệu suất hoạt động của động cơ.

II. Đánh giá khả năng tích lũy năng lượng

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khả năng tích lũy năng lượng của hệ thống đánh lửa hybrid vượt trội hơn so với hệ thống đánh lửa điện cảm truyền thống. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng, năng lượng tích lũy trên tụ điện có thể đạt được mức tối ưu, giúp cải thiện hiệu suất động cơ. Việc đánh giá này không chỉ dựa trên lý thuyết mà còn được kiểm chứng qua các thí nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy, hệ thống hybrid có thể tiết kiệm đáng kể năng lượng tiêu thụ, đồng thời giảm thiểu khí thải độc hại ra môi trường. Điều này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc phát triển các công nghệ xanh cho ngành ô tô.

2.1. Phân tích hiệu suất năng lượng

Phân tích hiệu suất năng lượng cho thấy rằng hệ thống đánh lửa hybrid không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn cải thiện hiệu suất động cơ. Các thông số như công suất, moment và suất tiêu hao nhiên liệu đều được cải thiện khi sử dụng hệ thống này. Kết quả thực nghiệm cho thấy, động cơ sử dụng hệ thống hybrid có khả năng tiết kiệm nhiên liệu lên đến 15% so với hệ thống đánh lửa điện cảm truyền thống. Điều này không chỉ có lợi cho người tiêu dùng mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, một yếu tố quan trọng trong bối cảnh hiện nay.

III. Ứng dụng và triển vọng của hệ thống đánh lửa hybrid

Hệ thống đánh lửa hybrid có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô. Việc áp dụng công nghệ hybrid không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất động cơ. Các nhà sản xuất ô tô có thể áp dụng công nghệ này để phát triển các mẫu xe thân thiện với môi trường hơn. Hơn nữa, việc giảm thiểu khí thải từ động cơ sẽ góp phần vào việc thực hiện các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hơn trong tương lai. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp ô tô, hướng tới sự phát triển bền vững.

3.1. Triển vọng phát triển công nghệ

Triển vọng phát triển công nghệ đánh lửa hybrid rất sáng sủa. Với sự gia tăng nhu cầu về các phương tiện tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, công nghệ này sẽ trở thành xu hướng trong tương lai. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và hiệu suất của hệ thống đánh lửa hybrid, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. Việc phát triển các giải pháp công nghệ mới sẽ không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường, một yếu tố ngày càng được coi trọng trong ngành công nghiệp ô tô.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống đánh lửa trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong việc đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng đốt động cơ xăng, chuyển hóa năng lượng hóa học thành cơ năng. Theo ước tính, điện áp cao từ 15 kV đến 40 kV được tạo ra từ nguồn điện áp thấp 12V hoặc 24V của ắc-quy để kích hoạt tia lửa điện tại bu-gi. Hiện nay, hệ thống đánh lửa điện cảm kiểu đánh lửa trực tiếp được sử dụng phổ biến trên các động cơ xăng nhiều xy-lanh. Tuy nhiên, hệ thống này tiêu hao nhiều năng lượng do dòng điện sơ cấp lớn và gây ra các xung nhiễu điện trên hệ thống điện ô tô.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu và thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid – một giải pháp kết hợp giữa hệ thống đánh lửa điện cảm và điện dung nhằm tận dụng năng lượng thừa sinh ra trong quá trình ngắt dòng sơ cấp để nạp cho tụ điện, từ đó giảm tiêu hao năng lượng cho hệ thống đánh lửa. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, chế tạo mạch đánh lửa Hybrid, vận hành trên động cơ xăng 4 xy-lanh và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật như công suất, moment, tiêu hao nhiên liệu và chất lượng khí thải so với hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2017-2018, sử dụng động cơ Toyota 1NZ-FE làm đối tượng thử nghiệm. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua khả năng tiết kiệm khoảng 25% năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa trên động cơ 4 xy-lanh, góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải ô nhiễm, đồng thời nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba hệ thống đánh lửa chính: hệ thống đánh lửa điện cảm (Transistor Ignition - TI), hệ thống đánh lửa điện dung (Capacitor Discharged Ignition - CDI) và hệ thống đánh lửa Hybrid kết hợp hai phương pháp trên.

• Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI): Năng lượng tích trữ trên cuộn dây sơ cấp biến áp đánh lửa, dòng điện sơ cấp tăng dần đến thời điểm ngắt đột ngột, tạo ra sức điện động tự cảm khoảng 100-300 V trên cuộn sơ cấp và điện áp cao 5-15 kV trên cuộn thứ cấp để tạo tia lửa. Ưu điểm là cấu trúc đơn giản, nhưng tiêu hao nhiều năng lượng và gây nóng bô-bin.

• Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI): Năng lượng tích trữ trên tụ điện với điện áp nạp từ 90-400 V, thời gian tích trữ rất ngắn, tạo ra tia lửa có điện áp tăng nhanh và thời gian duy trì ngắn. Có hai kiểu nạp tụ: DC-CDI sử dụng bộ biến đổi điện áp từ ắc-quy, AC-CDI sử dụng nguồn điện xoay chiều từ máy phát.

• Hệ thống đánh lửa Hybrid: Kết hợp ưu điểm của hai hệ thống trên, tận dụng sức điện động tự cảm sinh ra khi ngắt dòng sơ cấp của hệ thống điện cảm để nạp cho tụ điện của hệ thống điện dung. Trên động cơ 4 xy-lanh, sử dụng 3 bô-bin điện cảm và 1 bô-bin điện dung, lý thuyết giảm 25% năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa.

Các khái niệm chính bao gồm: sức điện động tự cảm, năng lượng tích trữ trên tụ điện, dòng điện sơ cấp, thời gian tích trữ năng lượng, và hiệu suất đánh lửa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tài liệu chuyên ngành, công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, kết hợp với thực nghiệm trên mô hình động cơ thực tế.

• Cỡ mẫu: Một động cơ xăng 4 xy-lanh Toyota 1NZ-FE được sử dụng để lắp đặt và thử nghiệm hệ thống đánh lửa Hybrid.

• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn động cơ phổ biến, có đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn để đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng rộng rãi.

• Phương pháp phân tích: Thực nghiệm đo đạc các thông số công suất, moment, suất tiêu hao nhiên liệu, và chất lượng khí thải trên băng thử công suất AVL Eddy Current Dynamometer. So sánh kết quả giữa hệ thống đánh lửa Hybrid và hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 1/2017 đến tháng 8/2018, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, thiết kế chế tạo mạch, thử nghiệm mô hình, vận hành trên động cơ thực tế và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế thành công mạch đánh lửa Hybrid: Mạch đánh lửa Hybrid được chế tạo với khả năng thu năng lượng tự cảm trên cuộn dây sơ cấp, nạp cho tụ điện điện dung. Năng lượng tích lũy trên tụ đạt hơn 18 mJ với tụ điện dung lượng 1 μF, điện áp nạp tụ đạt cực đại khoảng 107,9 V.

2. Hiệu suất động cơ cải thiện: Thực nghiệm trên động cơ Toyota 1NZ-FE cho thấy công suất và moment động cơ khi sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid tăng trung bình 3-5% so với hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy ở các chế độ tải từ 20% đến 100% vị trí bướm ga.

3. Tiết kiệm nhiên liệu: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm khoảng 7-10% khi sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid, thể hiện qua các chế độ tải khác nhau trên băng thử. Lượng nhiên liệu tiết kiệm được ước tính khoảng 55g/100km trên xe gắn máy áp dụng hệ thống tương tự.

4. Giảm khí thải ô nhiễm: Nồng độ khí thải HC, CO và NOx giảm đáng kể, với lượng NOx giảm xuống dưới 30 ppm, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải quốc gia 249/2005/QĐ-TTG. Điều này góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả đốt cháy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu là do hệ thống đánh lửa Hybrid tận dụng được năng lượng thừa sinh ra trong quá trình ngắt dòng sơ cấp, giảm tổn thất năng lượng và tăng thời gian duy trì tia lửa điện. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả thực nghiệm trên động cơ thực tế đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của hệ thống đánh lửa Hybrid.

Biểu đồ công suất và moment động cơ thể hiện sự tăng trưởng rõ rệt khi sử dụng hệ thống Hybrid, đồng thời đồ thị suất tiêu hao nhiên liệu và nồng độ khí thải cũng cho thấy xu hướng giảm đáng kể. So sánh với các nghiên cứu về đánh lửa Laser hay đánh lửa đa điểm, hệ thống Hybrid có ưu điểm về chi phí và khả năng ứng dụng thực tế cao hơn.

Việc giảm 25% năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa trên động cơ 4 xy-lanh tuy chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng năng lượng tiêu thụ của xe, nhưng khi nhân với số lượng xe trên toàn cầu, hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải là rất lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng hệ thống đánh lửa Hybrid trên các dòng xe phổ thông: Các nhà sản xuất ô tô và các trung tâm sửa chữa nên nghiên cứu và áp dụng hệ thống đánh lửa Hybrid để giảm tiêu hao năng lượng và khí thải, đặc biệt trên các động cơ xăng 4 xy-lanh. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

2. Nâng cao chất lượng linh kiện và thiết kế mạch: Tăng cường nghiên cứu phát triển các linh kiện bán dẫn, tụ điện có độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt để đảm bảo độ ổn định và tuổi thọ của hệ thống đánh lửa Hybrid. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về hệ thống đánh lửa Hybrid cho kỹ thuật viên ô tô nhằm nâng cao năng lực bảo trì, sửa chữa và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Thời gian đào tạo từ 6 tháng đến 1 năm.

4. Mở rộng nghiên cứu đánh giá trên các loại động cơ khác: Tiến hành thử nghiệm và đánh giá hệ thống đánh lửa Hybrid trên động cơ diesel, động cơ công suất lớn và các loại nhiên liệu khác để đa dạng hóa ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về hệ thống đánh lửa Hybrid, giúp mở rộng kiến thức và phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm ô tô: Tham khảo để ứng dụng công nghệ đánh lửa Hybrid vào thiết kế hệ thống đánh lửa tiết kiệm năng lượng, nâng cao hiệu suất động cơ và giảm khí thải.

3. Doanh nghiệp sản xuất và sửa chữa ô tô: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng dịch vụ bảo trì và phát triển các giải pháp tiết kiệm nhiên liệu cho khách hàng.

4. Cơ quan quản lý môi trường và giao thông: Sử dụng thông tin để xây dựng chính sách khuyến khích áp dụng công nghệ đánh lửa tiết kiệm năng lượng, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm không khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống đánh lửa Hybrid khác gì so với hệ thống đánh lửa điện cảm truyền thống?
   Hệ thống Hybrid tận dụng năng lượng tự cảm sinh ra khi ngắt dòng sơ cấp để nạp cho tụ điện, giảm tiêu hao năng lượng so với hệ thống điện cảm chỉ sử dụng năng lượng từ ắc-quy. Ví dụ, trên động cơ 4 xy-lanh, Hybrid giảm khoảng 25% năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa.

2. Hệ thống đánh lửa Hybrid có ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ không?
   Có, thực nghiệm cho thấy công suất và moment động cơ tăng 3-5%, đồng thời giảm suất tiêu hao nhiên liệu 7-10%, nhờ thời gian duy trì tia lửa dài hơn và hiệu quả đốt cháy tốt hơn.

3. Việc lắp đặt hệ thống đánh lửa Hybrid có phức tạp không?
   Hệ thống được thiết kế để dễ dàng tích hợp trên động cơ xăng 4 xy-lanh với các bô-bin điện cảm và điện dung phối hợp, không cần bộ biến đổi điện áp phức tạp, giảm số lượng chi tiết và tăng độ tin cậy.

4. Hệ thống đánh lửa Hybrid có giúp giảm khí thải ô nhiễm không?
   Có, nồng độ khí thải HC, CO và NOx giảm đáng kể, với NOx dưới 30 ppm, đáp ứng tiêu chuẩn khí thải quốc gia, góp phần bảo vệ môi trường.

5. Có thể áp dụng hệ thống đánh lửa Hybrid cho các loại động cơ khác không?
   Có thể, tuy nhiên cần nghiên cứu và điều chỉnh thiết kế phù hợp với đặc tính từng loại động cơ, ví dụ động cơ diesel hoặc động cơ công suất lớn, để tối ưu hiệu quả và độ bền.

Kết luận

• Hệ thống đánh lửa Hybrid được thiết kế và chế tạo thành công, vận hành ổn định trên động cơ xăng 4 xy-lanh thực tế.
• Năng lượng tích lũy trên tụ điện đạt hơn 18 mJ, đủ để tạo tia lửa điện hiệu quả, giảm tiêu hao năng lượng hệ thống đánh lửa khoảng 25%.
• Thực nghiệm cho thấy công suất và moment động cơ tăng 3-5%, suất tiêu hao nhiên liệu giảm 7-10%, đồng thời giảm đáng kể khí thải HC, CO, NOx.
• Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của hệ thống đánh lửa Hybrid trong việc nâng cao hiệu suất động cơ và bảo vệ môi trường.
• Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, nâng cao chất lượng linh kiện, đào tạo kỹ thuật viên và mở rộng nghiên cứu trên các loại động cơ khác trong giai đoạn tiếp theo.

Hãy tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ đánh lửa Hybrid để góp phần phát triển ngành công nghiệp ô tô xanh và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. LÝ DO CHỌN ĐỂ TÀI 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 (trên 15 kV - 40 kV), được 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 đốt nhằm giải phóng năng lượng hóa học trong nhiên liệu thành cơ năng trên động cơ. Trên hầu hết các ô tô hiện nay, hệ thống đánh lửa điện cảm kiểu đánh lửa trực tiếp (mỗi xy-lanh sử dụng một bô-bin đánh lửa) được sử dụng phổ biến. Hệ thống đánh lửa điện cảm có nguyên lý hoạt động: dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa ở thời điểm trước thời điểm đánh lửa, thời điểm đánh lửa dòng sơ cấp bị ngắt đột ngột tạo điện áp cao ở mạch thứ cấp làm xuất hiện tia lửa bu-gi.

Khi ngắt dòng điện cuộn sơ cấp làm xuất hiện sự biến thiên từ thông trên lõi từ của biến áp đánh lửa. Sự biến thiên từ thông này tạo ra hai hiện tượng đồng thời trên cả hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp. Trên cuộn dây sơ cấp sự biến thiên từ thông khi ngắt dòng sơ cấp (hiện tượng tự cảm) tạo ra một sức điện động tự cảm (𝐸𝑡𝑐 ) được tính bởi biểu thức: d𝑖 𝐸𝑡𝑐 = −𝐿 (1.1) d𝑡 Trong đó: L: Độ tự cảm cuộn dây sơ cấp (H) d𝑖 : độ biến thiên dòng sơ cấp d𝑡 Sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp của biến áp đánh lửa khoảng 100 – 300 V [1]. Khi hoạt động hệ thống đánh lửa tạo ra các xung nhiễu lan truyền trên hệ thống điện ô tô.

Tụ điện được sử dụng nhằm mục đích giảm ảnh hưởng các xung nhiễu lên hệ thống điện, tuy nhiên khi lắp tụ này chưa tận dụng được năng lượng do sức điện động tự cảm sinh ra trên hệ thống đánh lửa khi hoạt động. 1 Luan van Trên cuộn thứ cấp, sự biến thiên từ thông khi ngắt dòng sơ cấp làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng tạo nên hiệu điện thế cao (hiện tượng cảm ứng điện từ). Hệ thống đánh lửa điện cảm khi ngắt dòng sơ cấp sức điện động tự cảm sinh ra khoảng 100 – 300 V, trong khi đó hệ thống đánh lửa điện dung tụ điện cần nạp với điện áp từ 90 – 400 V [1], ở hệ thống đánh lửa điện dung đang áp dụng trên thực tế cần một bộ biến đổi điện để đưa điện áp ắc-quy lên điện áp nạp tụ điều này tiêu tốn điện năng của ắc-quy. Việc kết hợp thu năng lượng thừa trên cuộn dây sơ cấp của hệ thống đánh lửa điện cảm có giá trị điện áp lên đến 100 – 300 V làm nguồn nạp tụ tích trên hệ thống đánh lửa điện dung đến điện áp yêu cầu trong khoảng 90 – 400 V, điều này cho phép hệ thống đánh lửa điện dung hoạt động bình thường mà không cần tiêu tốn điện năng cho bộ biến đổi điện áp và loại bỏ được bộ biến đổi điện làm giảm số lượng chi tiết trên hệ thống.

Việc sử dụng tụ điện trên hệ thống đánh lửa Hybrid hấp thu sức điện động tự cảm, giảm nhiễu gây ra trên các thiết bị điện trên ô tô và bảo vệ thiết bị đóng ngắt trên hệ thống đánh lửa điện cảm. Ý tưởng sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện cảm – điện dung (Hybrid) là một giải pháp hữu ích. Động cơ đốt trong nhiều xy-lanh khi áp dụng hệ thống đánh lửa Hybrid sẽ giảm lượng điện năng tiêu thụ so với hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy của xe. Điển hình, trên một động cơ xăng bốn xy-lanh mà lắp đặt một hệ thống đánh lửa điện dung – điện cảm để tận thu năng lượng của sức điện động tự cảm từ ba bô-bin đánh lửa điện cảm của động cơ, thì trên lý thuyết ta giảm được 25 % năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa nếu giải pháp khả thi.

Việc giảm năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa trên một động cơ chiếm tỉ lệ nhỏ trong tổng lượng điện năng tiêu thụ của ô tô, tuy nhiên năng lượng tiết kiệm này nếu tính trên lượng xe đến vài trăm triệu chiếc trên thế giới, việc giảm lượng năng lượng tiêu thụ nhỏ này cũng gây nên hiệu quả tiết kiệm lượng nhiên liệu rất lớn. 2 Luan van Đề tài “Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid” nhằm mục đích thiết kế, chế tạo hệ thống đánh lửa Hybrid và thực nghiệm đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống đánh lửa đã chế tạo, đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid so với sử dụng hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy trên xe; thực nghiệm so sánh và đánh giá về công suất; mức tiêu hao nhiên liệu và chất lượng khí phát thải của động cơ được thử nghiệm theo qui trình tiêu chuẩn. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1. CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống đánh lửa trên ô tô, trong đó công trình nghiên cứu “thiết bị đánh lửa cho động cơ đốt trong” của Kettering [2].1: Sơ đồ thiết bị đánh lửa cho động cơ đốt trong Hệ thống đánh lửa điện cảm này được áp dụng trên các động cơ thế hệ đầu tiên (Hình 1.

Năng lượng đánh lửa của hệ thống tích trữ tại cuộn dây sơ cấp P1, P2 được điều khiển bởi vít lửa I, trước thời điểm đánh lửa vít đóng làm dòng sơ cấp tăng, đến thời điểm đánh lửa vít chớm mở ngắt dòng sơ cấp đột ngột, sức điện động biến thiên trên cuộn dây sơ cấp P1, P2 cảm ứng trên cuộn dây thứ cấp S1, S2 sinh ra điện áp rất lớn truyền đến bu-gi tạo nên tia lửa 3 Luan van điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu. Hệ thống này có cấu trúc đơn giản, thời gian phóng điện dài và phụ thuộc vào lượng năng lượng tích lũy. Tesla [3] đăng ký bằng sáng chế “hệ thống lửa điện dung” tại Mỹ số 609,250 năm 1898.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện dung CDI (Capacitor Discharged Ignition). Kiểu đánh lửa này được áp dụng trên xe Ford Model K lần đầu tiên.2: Sơ đồ thiết bị đánh lửa cho động cơ xăng Năng lượng đánh lửa của hệ thống được tích trữ tại tụ điện G trước thời điểm đánh lửa, đến thời điểm đánh lửa cực “a –b” nối kín mạch D, Tụ G đột ngột xả điện qua cuộn sơ cấp F, sức điện động biến thiên cảm ứng lên cuộn thứ cấp K, làm xuất hiện tia lửa tại bu-gi.

Năng lượng nạp cho tụ được lấy từ ắc-quy E thông qua bộ tăng áp H. Hệ thống này có thời gian tích lũy năng lượng rất ngắn, hiệu điện thế thứ cấp tăng trưởng nhanh nhưng thời gian duy trì tia lửa ngắn. Gerry [4] [5] đã được cấp bằng sáng chế số 4,291,661 tại Mỹ về “Hệ thống đánh lửa nạp xả điện dung điện cảm điều biên” và bằng sáng chế số 4,293,798 về “Hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung điện cảm”. 4 Luan van Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống đánh lửa nạp xả điện dung điện cảm điều biên Một nguồn điện xoay chiều (hình 1.3) được tạo ra từ bộ dao động 30 cung cấp năng lượng cho tụ điện 80, tụ điện này được nạp liên tục trong một chu kỳ đánh lửa và xả điện qua cuộn dây sơ cấp 71 của biến áp đánh lửa, cuộn dây thứ cấp 72 tạo ra điện áp cao gởi đến bộ chia điện phân phối tia lửa điện đúng thời điểm đánh lửa của động cơ.

Việc phóng nạp liên tục của tụ điện giúp tạo ra nhiều xung điện áp cao thế ở cuộn thứ cấp trong một chu kỳ đánh lửa.4: Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện cảm - điện dung 5 Luan van Gerry [4] đã thiết kế mạch nguồn 200 cung cấp năng lượng liên tục cho tụ điện 311 nhờ tín hiệu điều khiển từ bộ tạo xung 180, với kiểu đấu tụ như sơ đồ trên hình 1.4 trong một chu kỳ đánh lửa tụ điện được nạp xả liên tục trên cuộn dây sơ cấp biến áp đánh lửa, làm xuất hiện tại điện cực bu-gi điện thế cao tạo tia lửa. Michael và Matthew [6] với công trình “hệ thống đánh lửa Hybrid cho động cơ đốt trong” hệ thống bao gồm ECU (Electronic Control Unit) 34, biến áp đánh lửa 50, mạch push-pull 46, mạch nạp xả tụ 12, bu-gi 70.5: Sơ đồ nguyên lý đánh lửa Hybrid trên động cơ đốt trong Biến áp đánh lửa này đặc biệt có ba cuộn dây sơ cấp 54, 58, 62 (hình 1.5) và một cuộn dây thứ cấp 66. Trong một chu kỳ đánh lửa hệ thống dễ dàng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa trên bu-gi nhờ vào ECU, qua đó làm tăng hiệu suất của động cơ. Sebok cùng các cộng sự [7] đã nghiên cứu “Hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện” đã đưa ra các phân tích dạng sóng về thời gian tích trữ năng 6 Luan van lượng, dòng điện sơ cấp, xung điện thế trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp khi quá trình đánh lửa điện cảm diễn ra.6: Sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của bô-bin đánh lửa điện cảm Trên hình 1.6 là đồ thị biểu diễn sức điện động tự cảm của một bô-bin điện cảm, đồ thị cho thấy sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp đạt khoảng 400V sau khoảng thời gian tích trữ năng lượng (ở đây là khoảng thời gian “Charging coil”), đồng thời trên cuộn dây thứ cấp xuất hiện sức điện động cảm ứng lên đến 5 – 15 kV.

Khoảng thời gian xuất hiện và duy trì tia lửa tương ứng trên hình 1.6 là khoảng thời gian “Switch off coil”. 7 Luan van Xung điều khiển dòng sơ cấp Xung dòng sơ cấp Xung điện thế sơ cấp Xung điện thế thứ cấp Hình 1.7: Mối tương quan giữa xung điều khiển, xung dòng sơ cấp, xung điện áp thứ cấp của bốn xi-lanh theo thứ tự đánh lửa Trên hình 1.7 là biểu đồ thể hiện mối tương quan thời gian pha giữa xung điều khiển, xung dòng sơ cấp, xung điện áp sơ cấp, xung điện áp thứ cấp của bốn bô-bin theo thứ tự đánh lửa. Hongjiu cùng các cộng sự [8] đã “nghiên cứu tạo dòng plasma bằng nguồn AC trên hệ thống đánh lửa động cơ xăng”, tác giả đã cải tiến hệ thống đánh lửa trên động cơ xăng nhằm đốt cháy hỗn hợp nghèo mà hệ thống đánh lửa truyền thống chưa đáp ứng được, kết quả cải thiện công suất hệ thống đánh lửa.8 trình bày sơ đồ mạch điện của thiết bị thử nghiệm.