Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài Nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường, các hãng sản xuất ô tô không ngừng tìm kiếm các giải pháp, trong đó có giải pháp thu hồi năng lượng mất mát vô ích. Một số nghiên cứu về việc thu hồi năng lượng đã được thương mại hóa như công nghệ thu hồi năng lượng phanh i-ELoop (Intelligent Energy Loop) của hãng ô tô Mazda [1]. Công nghệ này giúp giảm khoảng 10% tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Công nghệ phanh tái sinh, thu hồi năng lượng quán tính trên các xe Hybrid hiện cũng rất phổ biến [2].
Audi đã thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng từ hệ thống treo dựa trên nguyên lý biến dao động của hệ thống treo ở dạng cơ năng thành năng lượng điện thu được vào bộ tích trữ [3]. Các nguồn năng lượng khác nhau được thu hồi dưới dạng điện năng đóng vai trò như một nguồn dự trữ năng lượng riêng để cung cấp cho một số hệ thống trên xe. Tùy thuộc vào thời gian thu hồi và mật độ tích trữ được, năng lượng sẽ được dùng để cung cấp cho các bộ chấp hành ở các hệ thống khác nhau. Hệ thống điện ô tô nói chung và hệ thống điều khiển phun xăng, đánh lửa điện tử nói riêng giữ một vai trò quan trọng trên động cơ đánh lửa cưỡng bức.
Năng lượng điện cảm là nguồn năng lượng được sinh ra trên cuộn dây do nhiều tác nhân khác nhau như: hiện tượng cảm ứng điện từ, hiện tượng hỗ cảm, hiện tượng tự cảm… mang lại hữu ích lớn trên hệ thống điện: ứng dụng trong máy phát điện, động cơ điện, biến áp, bobine đánh lửa, kim phun nhiên liệu, nam châm điện. Trên các thiết bị điện ô tô có cấu tạo cuộn dây đều sinh ra năng lượng điện cảm từ suất điện động tự cảm trong quá trình chuyển mạch. Thiết bị có năng lượng điện cảm do hiện tượng cảm ứng điện từ bao gồm: máy phát điện, cảm biến điện từ… do hiện tượng hỗ cảm như: biến áp, bobine đánh lửa… 1 Nguồn năng lượng điện cảm nêu trên có khả năng thu hồi và sử dụng như một dạng năng lượng tái sinh. Năng lượng này tồn tại phần lớn trên các bobine của hệ thống đánh lửa.
Khi dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobine bị ngắt đột ngột để bắt đầu cho quá trình phóng điện trên điện cực bugi, trên cuộn sơ cấp sẽ xuất hiện một suất điện động tự cảm khoảng 200V đến 500V do sự thay đổi đột ngột của từ thông qua cuộn dây. Ngoài ra, trên xe còn nhiều cơ cấu chấp hành có kết cấu dạng cuộn cảm như: kim phun, van điện từ, rơle…cũng xuất hiện các suất điện động tương tự có biên độ từ 70V đến 120V trong quá trình hoạt động. Số lượng lớn các xung điện từ 70V đến 500V như thế lan truyền trên toàn hệ thống điện ô tô ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ thiết bị đóng ngắt, linh kiện điện tử, sinh nhiệt và lãng phí năng lượng. Các giải pháp kỹ thuật được áp dụng như: mắc diode zener, điện trở, tụ điện song song với transistor công suất chỉ nhằm bảo vệ các thiết bị đóng ngắt nhưng không tận dụng được phần năng lượng tự cảm sinh ra trên cuộn dây [6].
Một trong những thiết bị giúp thu hồi nhanh và dự trữ năng lượng tái sinh rất hiệu quả chính là các siêu tụ. Hiện nay, siêu tụ điện đang từng bước được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp ô tô [4]. Trong những năm gần đây, các siêu tụ được ứng dụng ngày càng nhiều trên các phương tiện giao thông thân thiện với môi trường như xe điện, xe lai [5]. Ngay cả trên những ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong, siêu tụ đã và đang được sử dụng như một nguồn lưu trữ năng lượng nhằm đáp ứng những hệ thống hoạt động liên tục ở tần số cao nhờ đặc tính nạp-xả nhanh của tụ, điển hình như hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp trên động cơ Diesel (CRDi) của Audi.
Mục tiêu của nghiên cứu là mô hình hóa quá trình sinh ra và thu hồi năng lượng tái sinh từ các cuộn cảm, tìm ra các giải pháp thiết thực để có thể tích trữ năng lượng vào hệ siêu tụ, tái sử dụng nguồn năng lượng điện cảm lãng phí nêu trên, cải thiện tính năng hoạt động kim phun là cần thiết, góp phần tiết kiệm nhiên liệu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng tuổi thọ các linh kiện bán dẫn trên xe. 2 Chính vì vậy, người nghiên cứu quyết định chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, ứng dụng năng lượng điện cảm trên ô tô” .2 Tổng quan kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Một số nghiên cứu trong nước Những năm gần đây nhiều tác giả nghiên cứu chuyên sâu về suất điện động tự cảm, năng lượng điện cảm, siêu tụ điện. Trong đó có nhiều công trình tiêu biểu liên quan đến vấn đề mà người nghiên cứu đang quan tâm: Tác giả Đỗ Quốc Ấm với công trình [6] đã nghiên cứu và chế tạo thành công mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm có ứng dụng lập trình vi điều khiển lắp trên động cơ bốn xylanh khả năng tích lũy suất điện động tự cảm trên 03 bobine của 03 tổ máy vào 03 tụ điện 1x10-6F và đáp ứng cho giai đoạn đánh lửa điện dung cho tổ máy còn lại.
Tác giả khẳng định: sản phẩm chế tạo bảo đảm hoạt động tin cậy khi động cơ hoạt động ở các chế độ khác nhau và tiết kiệm được 25% năng lượng sử dụng cho hệ thống (năng lượng cho một lần đánh lửa/một chu kỳ làm việc của động cơ). Điểm nổi bật của công trình là đã xây dựng được mô hình toán học, xác định được các thông số của hệ thống các giai đoạn đánh lửa điện cảm, giai đoạn đánh lửa điện dung và các đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hệ thống như tổng trở của mạch sơ cấp hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp bobine, dung lượng tụ điện qua các tính toán, mô phỏng trên Matlab.1: Mô hình đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm [6] 3 Tác giả Huỳnh Xuân Thành với đề tài [7] đã thực nghiệm động cơ 04 xylanh Toyota 1NZ-FE có hệ thống đánh lửa Hybrid trên băng thử công suất AVL Dyno 160 tại phòng thí nghiệm động cơ - Khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh khi đặt độ mở bướm ga tại các chế độ 20%, 35%, 50%, 75%, 100%, nhằm đánh giá ảnh hưởng của hệ thống đánh lửa Hybrid đến đặc tính của động cơ như công suất, moment, suất tiêu hao nhiên liệu và khí xả. Kết quả thực nghiệm cho thấy khác biệt về công suất có ích Ne= f(n), moment có ích Me = f(n) không lớn (< 5%), các sai lệch về chất lượng khí thải ứng với chế độ làm việc không tải lần lượt là: CO: 2,29 và 2,63 (% thể tích); HC: 69,33 và 77,0 (ppm) - phù hợp với các qui định về khí thải Việt Nam.
Nguyễn Đỗ Minh Triết thực hiện nghiên cứu [8] đã ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng năng lượng điện cảm tồn tại trên các bobine, kim phun, van điện từ, rơle trong quá trình chuyển mạch. Một mạch thu hồi năng lượng điện cảm kết hợp một bộ tích trữ năng lượng là bộ siêu tụ điện Maxwell (116F - 16,2V) được thực nghiệm trên động cơ 4S-FE ở dải tốc độ 800 đến 4000 vòng/phút. Các đặc tuyến về điện áp, dòng điện, suất điện động tự cảm được xác định bởi thiết bị đo dạng sóng Automotive Oscilloscopes 4425. Tác giả xác định rằng hiệu suất thu hồi năng lượng từ các xung tự cảm trong mô phỏng là 11,81÷15,6% và hiệu suất thu hồi trong quá trình thực nghiệm là 10,42÷13,32%.2: Mô hình mô phỏng các suất điện động tự cảm [8] Tác giả Đỗ Văn Dũng và cộng sự [9] đã xây dựng một mô hình thu hồi và tích trữ lượng điện cảm của van điện từ, kim phun, bobine, rơle ứng dụng bộ thu hồi dạng 4 cuộn cảm lõi xuyến và siêu tụ điện (116F – 16,2V).
Mạch điều khiển có trung tâm xử lý là vi điều khiển PIC 16F877A kết nối với máy tính để thu thập dữ liệu và tự động giám sát nguồn năng lượng ở các dải tốc độ động cơ từ 800 đến 4500 v/ph. Các thực nghiệm về điện áp nạp tụ, năng lượng điện cảm, thời gian nạp tụ được triển khai. Tác giả nhận định nguồn năng lượng thu được đủ cung ứng đến các phụ tải điện gián đoạn có công suất từ 15W đến 60W.3: Sơ đồ kết nối bộ thu hồi, tích trữ năng lượng điện cảm với hệ thống điện ô tô [9] Tác giả Lê Thanh Quang, Nguyễn Đức Triệu với công trình [10] đã áp dụng Matlab - GUI thực hiện phân tích, tính toán, mô phỏng, năng lượng tích lũy trên bobine và kim phun, năng lượng điện cảm có khả năng thu hồi. Trên cơ sở phân tích ưu và nhược điểm của các bộ thu hồi năng lượng kiểu cuộn cảm lõi xuyến, biến áp thông thường, biến áp xung, hai tác giả đã nghiên cứu, chế tạo mạch thu hồi năng lượng điện cảm dựa trên nguyên lý dùng biến áp xung có mạch điều khiển tần số cao tích hợp mạch dò áp, các diode Schottky cao tần, linh kiện SCR, tụ điện phân cực.
Sản phẩm được lắp đặt và thực nghiệm trên động cơ 4S-FE hoạt động ổn định trong quá trình thu hồi năng lượng điện cảm.4: Sơ đồ nguyên lý bộ thu dùng biến áp xung có mạch điều khiển [10] Nhóm tác giả Đặng Trí Trung, Nguyễn Đức Trọng [11] đã nghiên cứu chế tạo thiết bị thu hồi điện cảm tồn tại trên các bobine và kim phun sử dụng các cuộn lõi xuyến có giao tiếp máy tính thông qua phần mềm LabVIEW, thực nghiệm trên động cơ Daihatsu. Hiệu suất khi thu hồi năng lượng thừa trên cuộn sơ cấp bobine và cuộn dây kim phun ở số vòng quay 1000 vòng/phút đạt 6,79%. Các số liệu thu thập cũng được biểu diễn thông qua các đặc tuyến về điện áp nạp vào siêu tụ, thời gian nạp siêu tụ, năng lượng thu được trên siêu tụ.5: Khối kết nối thiết bị thu hồi năng lượng điện cảm [11] 6 Lê Khánh Tân với công trình [12] đã nghiên cứu tín hiệu của các cảm biến vị trí bàn đạp ga, cảm biến nhiệt độ khí nạp, cảm biến nhiệt độ nước làm mát, cảm biến khối lượng khí nạp, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ, cảm biến vị trí píttông, thời gian phun nhiên liệu, thời gian đánh lửa….