Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu, ứng dụng năng lượng điện cảm trên ô tô" do nghiên cứu sinh Phan Nguyễn Quí Tâm thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Đỗ Văn Dũng và TS. Nguyễn Bá Hải tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí (mã số: 9520103), hoàn thành vào tháng 09 năm 2021.

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ yêu cầu thực tiễn trong ngành công nghiệp ô tô nhằm nâng cao tính kinh tế nhiên liệu, giảm thiểu khí thải ô nhiễm và bảo vệ các linh kiện bán dẫn trong hệ thống điện thân xe và điều khiển động cơ. Trên các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong đánh lửa cưỡng bức, hệ thống điện điều khiển đóng vai trò cốt lõi với sự hiện diện của nhiều cơ cấu chấp hành có cấu tạo dạng cuộn cảm như bobine đánh lửa, kim phun nhiên liệu, van điện từ và các rơle. Trong quá trình chuyển mạch (đóng/ngắt dòng điện), hiện tượng tự cảm làm phát sinh các xung suất điện động có biên độ rất cao, dao động từ 200V đến 500V trên cuộn sơ cấp bobine và từ 70V đến 120V trên cuộn từ của kim phun. Các giải pháp kỹ thuật truyền thống hiện hành (như mắc diode zener, tụ điện hoặc điện trở song song với transistor công suất) chỉ đóng vai trò bảo vệ thiết bị đóng ngắt bằng cách dập tắt xung điện, chuyển hóa phần năng lượng này thành nhiệt năng gây nóng vi mạch và lãng phí năng lượng.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là việc thiếu vắng các giải pháp vừa có khả năng thu hồi, tích trữ hiệu quả nguồn năng lượng điện cảm lãng phí từ cả bobine và kim phun bằng hệ siêu tụ điện, vừa tái sử dụng trực tiếp nguồn năng lượng đó để nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống nhiên liệu mà không gây ảnh hưởng tiêu cực đến tính năng động lực học ban đầu của phương tiện.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là: Nghiên cứu thu hồi nguồn năng lượng điện cảm trên bobine, kim phun và sử dụng cho việc cải thiện tính năng hoạt động kim phun xăng.

Để thực hiện mục tiêu trên, tác giả xác định và đánh số hệ thống 12 nội dung nghiên cứu cụ thể trong văn bản như sau:

  1. Tổng quan về năng lượng điện cảm, các công trình nghiên cứu liên quan.
  2. Cơ sở lý thuyết về cuộn cảm, suất điện động tự cảm, năng lượng điện cảm.
  3. Phân tích mô hình tính toán các quá trình hoạt động trên cuộn cảm.
  4. Phân tích, mô hình hóa hệ siêu tụ và hệ siêu tụ kết nối phụ tải điện.
  5. Tính toán, mô phỏng năng lượng điện cảm.
  6. Phân tích quá trình hoạt động của kim phun.
  7. Khảo sát đặc tuyến các suất điện động tự cảm.
  8. Thiết kế, thi công mô hình thực nghiệm.
  9. Thiết kế, thi công hệ thống thu thập dữ liệu, kiểm soát năng lượng điện cảm.
  10. Phân tích, lựa chọn bộ lưu trữ.
  11. Thiết kế, thi công mạch thu hồi năng lượng và điều khiển đáp ứng kim phun.
  12. Thực nghiệm, đánh giá trên sản phẩm nghiên cứu mô hình thực nghiệm và trên ô tô Toyota Innova số sàn.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là năng lượng điện cảm của hệ thống điện điều khiển động cơ 1TR-FE lắp trên ô tô Toyota Innova số sàn.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng điện cảm tồn tại trên hệ thống điện động cơ 1TR-FE thông qua các khảo sát mô phỏng và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm. Phạm vi đề tài tập trung trình bày kết quả nghiên cứu dưới dạng một hệ thống sản phẩm phần cứng và điều khiển hoàn chỉnh; không đi sâu vào việc tính toán kết cấu cơ khí và kiểm nghiệm sức bền vật liệu cho từng chi tiết cơ học trên mô hình thực nghiệm.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan lịch sử nghiên cứu, tác giả đã điểm lại có hệ thống các công trình khoa học trong và ngoài nước liên quan trực tiếp đến việc khai thác năng lượng tái sinh, suất điện động tự cảm và ứng dụng siêu tụ điện:

Về các công nghệ thương mại hóa trên thế giới, tác giả nêu các giải pháp như hệ thống thu hồi năng lượng phanh i-ELoop (Intelligent Energy Loop) của Mazda giúp tiết kiệm khoảng 10% tiêu hao nhiên liệu [1]; hệ thống phanh tái sinh trên các dòng xe Hybrid [2]; và hệ thống thu hồi cơ năng từ dao động hệ thống treo eROT của Audi chuyển hóa thành điện năng nạp vào bộ tích trữ [3].

Các nghiên cứu tiêu biểu tại Việt Nam bao gồm:

  • Đỗ Quốc Ấm [6] đã nghiên cứu, chế tạo mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm ứng dụng vi điều khiển trên động cơ bốn xylanh, tích lũy suất điện động tự cảm từ 03 bobine vào 03 tụ điện $1 \times 10^{-6}\text{ F}$ để cấp cho giai đoạn đánh lửa điện dung của tổ máy còn lại, tiết kiệm 25% năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa.
  • Huỳnh Xuân Thành [7] thử nghiệm động cơ 4 xylanh Toyota 1NZ-FE trang bị hệ thống đánh lửa Hybrid trên băng thử công suất AVL Dyno 160 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh ở các độ mở bướm ga 20%, 35%, 50%, 75%, 100%, ghi nhận sai lệch công suất $N_e$ và mô-men $M_e$ dưới 5%, nồng độ phát thải không tải đạt mức CO từ 2,29% đến 2,63% thể tích, HC từ 69,33 đến 77,0 ppm.
  • Nguyễn Đỗ Minh Triết [8] ứng dụng Matlab Simulink mô phỏng năng lượng điện cảm trên bobine, kim phun, van điện từ, rơle; chế tạo mạch thu hồi tích hợp bộ siêu tụ điện Maxwell (116F - 16,2V) thực nghiệm trên động cơ 4S-FE ở dải tốc độ 800 đến 4000 vòng/phút, ghi nhận hiệu suất thu hồi mô phỏng đạt 11,81% - 15,6% và thực nghiệm đạt 10,42% - 13,32%.
  • Đỗ Văn Dũng và cộng sự [9] thiết lập mô hình thu hồi năng lượng điện cảm bằng 4 cuộn cảm lõi xuyến và siêu tụ điện (116F - 16,2V), dùng vi điều khiển PIC 16F877A kết nối máy tính giám sát ở dải tốc độ 800 đến 4500 vòng/phút, cung ứng điện cho các phụ tải gián đoạn công suất 15W đến 60W.
  • Lê Thanh Quang và Nguyễn Đức Triệu [10] sử dụng Matlab-GUI mô phỏng năng lượng tích lũy và chế tạo mạch thu hồi năng lượng điện cảm trên động cơ 4S-FE dựa trên biến áp xung có mạch điều khiển tần số cao kết hợp mạch dò áp, diode Schottky cao tần, SCR và tụ điện phân cực.
  • Đặng Trí Trung và Nguyễn Đức Trọng [11] chế tạo thiết bị thu hồi năng lượng trên bobine và kim phun dùng cuộn lõi xuyến kết nối máy tính qua LabVIEW trên động cơ Daihatsu, đạt hiệu suất thu hồi 6,79% tại tốc độ 1000 vòng/phút.
  • Lê Khánh Tân [12] thu thập dữ liệu các cảm biến động cơ 1SZ-FE về mạch Arduino và kết nối phần mềm LabVIEW ở dải bướm ga từ 0% đến 100%.

Các công bố quốc tế có liên quan gồm:

  • Do Van Dung, Nguyen Tan Ngoc và cộng sự [13] xây dựng mô hình toán và vật lý cho hệ thống đánh lửa Hybrid, đo kiểm bằng máy hiện sóng Automotive Oscilloscopes 4425, xác định sự biến thiên của điện dung, điện trở và độ tự cảm ảnh hưởng mạnh đến dòng điện sơ cấp, suất điện động tự cảm và tần số dao động.
  • Le Khanh Diem và đồng nghiệp [14] chế tạo mạch đánh lửa kết hợp CDI - TI trên xe máy Honda Wave RS, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu 55 g/100km, giảm nồng độ khí thải CO 0,02% thể tích và HC 73 ppm.
  • Nguyen Tan Ngoc, Do Quoc Am, Do Van Dung và cộng sự [15] nghiên cứu đánh lửa lai hai giai đoạn trên động cơ bốn xi lanh, đo kiểm bằng PicoScope 4425 với sai lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm nhỏ hơn 10%.
  • Fabio Chiara và Marcello Canova [16] phân tích các thách thức và định hướng công nghệ thu hồi năng lượng tái sinh từ phanh và hệ thống treo trên ô tô.
  • Milan Šebők và Miroslav Gutten [17] phân tích mạch tương đương, lập trình mô phỏng trên LabVIEW dạng sóng điện áp sơ cấp và thứ cấp của hệ thống đánh lửa bobine đôi không có bộ chia điện.
  • Manoj Embrandiri [18] kết hợp song song bộ ắc quy 48V-225Ah với hệ siêu tụ điện 48V-165F trên xe điện E-KANCIL động cơ 8-20 kW, ghi nhận giảm 49% dòng điện cực đại của ắc quy, công suất đỉnh tăng từ 9,5 kW lên 12,5 kW và tiết kiệm 23,6% năng lượng toàn hệ thống.
  • Tobias Andersson và Jens Groot [19] mô hình hóa trên Matlab Simulink và thực nghiệm bộ chuyển đổi DC/DC kết hợp hệ siêu tụ trên xe lai điện.
  • Panasonic và Kemet Electronics (theo công bố của Maurizio Di Paolo Emilio [20]) giới thiệu các giải pháp vật liệu cuộn cảm đạt tiêu chuẩn Automotive Electronics Council (AEC-Q200) ứng dụng trong các bộ chuyển đổi nguồn DC/DC, hệ thống đèn pha LED, bảng đồng hồ trung tâm, hệ thống hiển thị kính lái HUD, bơm nước điện EWP, bơm dầu điện tử EOP, lái trợ lực điện EPS và hệ thống phanh ABS.
Tác giả / Công trình Đối tượng nghiên cứu Phương pháp / Thiết bị chính Kết quả / Thông số tiêu biểu
Đỗ Quốc Ấm [6] Động cơ 4 xylanh Vi điều khiển, mô phỏng Matlab, 03 tụ điện $1,\mu\text{F}$ Tiết kiệm 25% năng lượng đánh lửa
Huỳnh Xuân Thành [7] Động cơ Toyota 1NZ-FE Băng thử AVL Dyno 160 Sai lệch $N_e, M_e < 5%$; CO: 2,29 - 2,63%vol; HC: 69,33 - 77 ppm
Nguyễn Đỗ Minh Triết [8] Động cơ 4S-FE Matlab Simulink, siêu tụ Maxwell 116F-16,2V, Oscilloscope 4425 Hiệu suất thu hồi thực nghiệm: 10,42% - 13,32%
Đỗ Văn Dũng và CS [9] Bobine, kim phun, van, rơle Cuộn cảm lõi xuyến, siêu tụ 116F-16,2V, PIC 16F877A Cung cấp phụ tải gián đoạn 15W - 60W
Lê Thanh Quang và CS [10] Động cơ 4S-FE Biến áp xung tần số cao, Schottky, SCR, Matlab-GUI Mạch thu hồi vận hành ổn định
Đặng Trí Trung và CS [11] Động cơ Daihatsu Cuộn lõi xuyến, LabVIEW Hiệu suất thu hồi đạt 6,79% tại 1000 v/ph
Do Van Dung và CS [13] Đánh lửa Hybrid Oscilloscopes 4425, mô phỏng Matlab Xác định ảnh hưởng của $R, L, C$ đến $e_{tc}$ và dòng sơ cấp
Le Khanh Diem và CS [14] Động cơ Honda Wave RS Mạch tích hợp CDI - TI Tiết kiệm 55 g/100km; giảm 0,02%vol CO, 73 ppm HC
Nguyen Tan Ngoc và CS [15] Động cơ 4 xylanh PicoScope 4425, Matlab Sai lệch mô phỏng - thực nghiệm < 10%
Manoj Embrandiri [18] Xe điện E-KANCIL Nguồn kép: Ắc quy 48V-225Ah và Siêu tụ 48V-165F Giảm 49% dòng đỉnh ắc quy; tiết kiệm 23,6% năng lượng

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Phần lớn các công trình đi trước chủ yếu tập trung vào việc tận dụng năng lượng tự cảm để tái phục vụ cho chính chu trình đánh lửa (hệ thống đánh lửa Hybrid, CDI - TI) hoặc cấp nguồn cho các phụ tải gián đoạn nhỏ. Chưa có công trình nào giải quyết đồng thời việc thu hồi năng lượng tự cảm từ cả hai cơ cấu chấp hành có tần suất làm việc lớn nhất trên động cơ (cuộn sơ cấp bobine và kim phun), lưu trữ vào hệ siêu tụ, rồi sử dụng chính nguồn năng lượng thu hồi này để điều khiển trực tiếp kim phun ở mức điện áp 24V nhằm nâng cao độ nhạy mà không gây biến đổi các đặc tính động lực học của ô tô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên các định luật điện từ học kinh điển và lý thuyết mô hình hóa mạch điện tử, thủy lực:

  1. Hiện tượng cảm ứng điện từ (Faraday, 1831) và định luật Lenz: Chiều của dòng điện cảm ứng luôn sinh ra từ trường chống lại sự biến thiên của từ thông ban đầu sinh ra nó.
  2. Phương trình toán học suất điện động tự cảm: $$e_{tc} = -L \frac{di}{dt}$$ Trong đó $L$ là hệ số tự cảm của cuộn dây, đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng từ trường tương ứng với biến thiên dòng điện $\frac{di}{dt}$. Cảm kháng cuộn dây được xác định qua biểu thức $Z_L = 2\pi f L$.
  3. Năng lượng từ trường tích lũy trên cuộn cảm: $$W = \frac{1}{2} L I^2$$ Tác giả phân tích cụ thể 6 giai đoạn tạo xung điện áp trên cuộn cảm hoạt động ở mức nguồn 12V: Đoạn A (cấp điện áp ắc quy 12V), Đoạn B (thời điểm ngắt mạch), Đoạn C (thời gian dòng điện chạy qua cuộn dây), Đoạn D (xuất hiện xung điện áp tự cảm biên độ cao từ 70V đến 500V), Đoạn E (duy trì điện áp tự cảm), Đoạn F (tiêu hao năng lượng), và Đoạn G (trở lại chu kỳ hoạt động ban đầu). Luận án tập trung nghiên cứu khai thác năng lượng trong giai đoạn D.
  4. Lý thuyết về hệ siêu tụ điện (Electric Double-Layer Capacitors - EDLC): Mô hình hóa hệ siêu tụ với sơ đồ tương đương gồm điện dung tương đương $C_{total}$, điện trở nối tiếp tương đương $R_{esr}$ và điện trở rò song song $R_{lk}$. Năng lượng cực đại tích lũy trong hệ siêu tụ được xác định qua công thức: $$E_{max} = \frac{1}{2} C V^2$$
  5. Mô hình hệ thống điện - điện từ - cơ - thủy lực của kim phun nhiên liệu: Chuyển động nhấc ty kim phun được điều khiển bởi lực điện từ $F_m$, chịu sự cản trở của lực lò xo hồi vị $F_s$, áp lực nhiên liệu $F_f$, khối lượng ty kim $m$, khoảng dịch chuyển $x$ và thời gian trễ mở kim (deadtime). Dòng điện qua kim phun chia thành giai đoạn tăng trưởng ban đầu, giai đoạn dòng bão hòa $I_{st}$ và dòng duy trì rơi $I_{cr}$.

Phương pháp nghiên cứu thực hiện trong luận án bao gồm:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS (Direct Ignition System) sử dụng các chân điều khiển 12V, GND, IGT, IGF; mạch điều khiển kim phun xăng tại các chân #10, #20, #30, #40 của hộp ECU; ứng dụng phần mềm Matlab, Simulink và LabVIEW để tính toán, mô phỏng.
  • Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm: Kế thừa các giải pháp về mạch điện tử công suất thu hồi năng lượng tái sinh đã công bố.
  • Phương pháp cách thức hóa: Xây dựng sa bàn, mô hình thực nghiệm mô phỏng toàn diện quá trình phun xăng đánh lửa tương đương với ô tô thực tế.
  • Phương pháp thực nghiệm khoa học:
    • Thiết kế, thi công mạch phần cứng thu hồi xung tự cảm dùng diode cao tần;
    • Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu bằng card giao tiếp NI USB-6009 của hãng National Instruments kết hợp máy hiện sóng Tektronix MSO2000B và cảm biến đo dòng điện ACS712;
    • Đánh giá thực nghiệm hai giai đoạn: Giai đoạn 1 kiểm nghiệm các thông số nạp, xả, độ nhạy kim phun và nhiệt độ trên mô hình thử nghiệm; Giai đoạn 2 lắp ráp thiết bị trên ô tô thực tế Toyota Innova số sàn và đo kiểm công suất $P_e$, mô-men xoắn $M_e$ trên băng thử con lăn Mustang Dynamometer MD-500.

Dữ liệu nghiên cứu thu thập trực tiếp từ các phép đo dao động ký điện áp, cảm biến dòng điện thực tế tại cuộn sơ cấp bobine và kim phun của động cơ 1TR-FE.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập bối cảnh, lý do chọn đề tài và tổng quan 14 công trình tiêu biểu trong và ngoài nước về năng lượng điện cảm và siêu tụ. Tác giả chỉ rõ các cơ cấu chấp hành như bobine đánh lửa tạo ra xung tự cảm từ 200V đến 500V, kim phun tạo xung từ 70V đến 120V. Nhược điểm của các giải pháp bảo vệ kinh điển (dùng diode, tụ điện, điện trở) được chỉ ra là biến năng lượng có ích thành nhiệt năng tỏa ra môi trường. Trên cơ sở đó, tác giả xác định mục tiêu nghiên cứu là thu hồi năng lượng điện cảm trên bobine và kim phun nạp vào hệ siêu tụ để tái cấp nguồn cho việc nâng cao độ nhạy kim phun. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu được cố định trên động cơ xăng 1TR-FE trang bị trên xe Toyota Innova số sàn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về năng lượng điện cảm và hệ siêu tụ điện

Chương 2 trình bày chi tiết bản chất điện từ học của các cơ cấu chấp hành trên ô tô. Đối với bobine đánh lửa trực tiếp (DIS), cấu tạo gồm cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Cụm điều khiển nhận các tín hiệu 12V, cực âm mass GND, xung thời điểm đánh lửa IGT từ ECU và gửi tín hiệu phản hồi IGF về ECU. Để thu hồi năng lượng thuận tiện, tác giả đề xuất giải pháp tách rời IC đánh lửa ra khỏi cuộn bobine trên mô hình. Đối với kim phun, cực dương nối nguồn 12V và cực âm được điều khiển dập mass qua các chân #10, #20, #30, #40 bằng các transistor công suất bên trong ECU.

Tác giả phân tích ba giải pháp hạn chế tác động của suất điện động tự cảm truyền thống:

  • Mắc diode song song: Dập xung tốt nhưng dòng tự cảm tiếp tục chạy quẩn qua cuộn cảm tạo mạch kín, gây sinh nhiệt.
  • Mắc tụ điện song song: Tạo mạch LC dao động tắt dần, tuy nhiên tụ dễ bị đánh thủng khi làm việc ở tần số cao.
  • Mắc điện trở song song: Điện trở hấp thụ xung và tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ tổng thể của mạch điện.

Tiếp theo, chương 2 thiết lập các hệ phương trình vi phân mô tả quá trình xác lập dòng điện khi transistor dẫn bão hòa trong thời gian $t_d$: $$i(t) = \frac{U_a - \Delta U_T}{R} \left(1 - e^{-\frac{R}{L}t}\right)$$ và quá trình giải phóng năng lượng khi transistor ngắt mạch: $$i(t) = I_{ng} e^{-\frac{R}{L}t}$$ Năng lượng tích lũy tại thời điểm ngắt đạt giá trị $W_{ng} = \frac{1}{2} L I_{ng}^2$.

Các thông số thực tế của động cơ 1TR-FE được đưa vào tính toán:

  • Điện trở cuộn sơ cấp bobine: $R_{bb} = 0,9,\Omega$; độ tự cảm $L_{bb} = 2,5,\text{mH}$.
  • Điện trở cuộn từ kim phun: $R_{kp} = 12,\Omega$; độ tự cảm $L_{kp} = 11,5,\text{mH}$.

Tác giả xây dựng mô hình toán học của hệ siêu tụ điện, thiết lập phương trình quá trình nạp và phóng năng lượng khi kết nối với phụ tải điện, phân tích số lần chuyển mạch cần thiết ($l_{bb}$ trên bobine và $l_{kp}$ trên kim phun) cùng thời gian cần thiết ($t_{fullbb}$, $t_{fullkp}$) để nạp đầy hệ siêu tụ. Cuối chương, mô hình hệ điện - điện từ - cơ - thủy lực của kim phun được phân tích làm cơ sở lý thuyết cho việc cấp điện áp 24V nhằm rút ngắn thời gian nhấc ty kim.

Chương 3: Thiết kế hệ thống thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm

Chương 3 trình bày các bước chế tạo phần cứng và hệ thống điều khiển:

  1. Khảo sát thực tế: Dùng máy hiện sóng Tektronix MSO2000B ghi nhận dạng sóng suất điện động tự cảm thực tế trên cuộn sơ cấp bobine đạt mức đỉnh từ 350V đến 400V và trên kim phun đạt khoảng 75V đến 80V.
  2. Cải tạo khối điều khiển đánh lửa: Nhằm tạo thuận lợi cho việc trích xuất xung tự cảm mà không can thiệp sâu vào cấu trúc kín của cụm bobine tích hợp IC trên xe nguyên bản, tác giả thực hiện tách rời IC đánh lửa và bố trí khối mạch kích ngoài tương thích tín hiệu IGT, IGF từ ECU.
  3. Lựa chọn bộ lưu trữ năng lượng: Tác giả phân tích và quyết định chọn hệ siêu tụ điện có điện áp định mức 27V, điện dung danh định 35F (gồm các siêu tụ đơn ghép nối tiếp có mạch cân bằng điện áp).
  4. Thiết kế mạch thu hồi: Mạch in 2 lớp sử dụng hệ thống diode chuyển mạch xung tần số cao, dẫn dòng năng lượng tự cảm sinh ra tại thời điểm transistor ngắt đưa về nạp vào hệ siêu tụ 27V-35F thông qua sơ đồ chuyển đổi nguồn điện.
  5. Thiết kế hệ thống đo lường và kiểm soát: Sử dụng cảm biến dòng điện Hall ACS712, mạch cầu chia áp đưa tín hiệu về card thu thập dữ liệu NI USB-6009 (National Instruments). Phần mềm điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ đồ họa LabVIEW với giao diện hiển thị trực quan các đặc tuyến dòng điện, điện áp nạp, xả và năng lượng tích lũy theo thời gian thực.
  6. Thiết kế mạch điều khiển kim phun: Mạch cho phép chuyển đổi nguồn cấp cho kim phun từ mức ắc quy 12V thông thường sang nguồn 24V trích xuất từ hệ siêu tụ tích trữ, có mạch giới hạn dòng duy trì nhằm bảo vệ cuộn dây kim phun khỏi hiện tượng quá nhiệt.

Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 thực hiện quá trình kiểm chứng thực nghiệm qua hai giai đoạn:

  1. Giai đoạn 1: Thực nghiệm trên mô hình
    • Đánh giá khả năng thu hồi và nạp của hệ siêu tụ ở các dải vận tốc góc động cơ khác nhau (từ 800 v/ph đến 4000 v/ph).
    • Đánh giá độ đáp ứng của kim phun: Khi cấp nguồn bằng ắc quy 12V, thời gian nhấc kim (deadtime) kéo dài hơn; khi chuyển sang cấp nguồn 24V từ hệ siêu tụ, thời gian đáp ứng của kim phun nhanh hơn, biên độ mở kim dứt khoát hơn, làm tăng độ nhạy của kim phun lên 2 lần so với ban đầu.
    • Thử nghiệm an toàn nhiệt: Khảo sát phân bố và đặc tuyến nhiệt độ của kim phun khi làm việc liên tục ở mức điện áp 24V. Kết quả cho thấy nhiệt độ làm việc của kim phun hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của nhà sản xuất, không xảy ra hiện tượng quá nhiệt nhờ mạch điều khiển ngắt dòng hợp lý.
  2. Giai đoạn 2: Thực nghiệm trên ô tô Toyota Innova (động cơ 1TR-FE)
    • Lắp ráp bộ thiết bị thu hồi và điều khiển hoàn chỉnh lên ô tô thực tế.
    • Thử nghiệm trên băng thử công suất con lăn Mustang Dynamometer MD-500.
    • Đo kiểm và so sánh đặc tính công suất phát ra tại bánh xe ($P_e$) và mô-men xoắn ($M_e$) theo dải tốc độ động cơ giữa trạng thái xe nguyên thủy và trạng thái xe có lắp bộ thu hồi năng lượng điện cảm.
    • Dữ liệu thực nghiệm qua 03 lần đo kiểm lặp lại khẳng định đường đặc tính công suất và mô-men xoắn tại bánh xe khi lắp đặt hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm trùng khớp với đặc tuyến nguyên thủy của xe, không gây ra bất kỳ sự sụt giảm hay suy hao tính năng động lực học nào của phương tiện.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được về mặt khoa học lý thuyết và giải pháp kỹ thuật thực tiễn; khẳng định tính khả thi của việc sử dụng siêu tụ điện để thu hồi năng lượng tự cảm và ứng dụng cấp nguồn 24V cho kim phun. Đồng thời, tác giả đưa ra các kiến nghị về việc mở rộng hướng nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng này cho các phụ tải điện khác nhằm giảm tải máy phát điện của xe.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã công bố những đóng góp mới cụ thể về mặt lý luận và thực tiễn như sau:

Về lý luận và học thuật:

  • Đã xây dựng thành công mô hình vật lý và mô hình toán học hoàn chỉnh cho hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp bobine và cuộn từ kim phun bằng việc sử dụng hệ siêu tụ điện.
  • Thiết lập phương trình cân bằng năng lượng và mô phỏng chính xác các quá trình nạp/xả năng lượng tự cảm trong các chu kỳ chuyển mạch ở các chế độ làm việc của động cơ đốt trong.

Về mặt công nghệ và thực tiễn:

  • Đã thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm và mạch phần cứng thu hồi năng lượng điện cảm trên cuộn sơ cấp bobine và kim phun, tích hợp hệ thống kiểm soát và thu thập dữ liệu bằng card NI USB-6009 và phần mềm LabVIEW.
  • Bộ sản phẩm thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm đã được thử nghiệm trực tiếp trên xe ô tô Toyota Innova (động cơ 1TR-FE) trên băng thử Mustang Dynamometer MD-500, chứng minh thiết bị vận hành an toàn và hoàn toàn không làm ảnh hưởng hay suy giảm tính năng động học (công suất và mô-men xoắn tại bánh xe) của ô tô.
  • Khai thác thành công nguồn năng lượng tự cảm tích trữ trong hệ siêu tụ điện ở mức điện áp 24V để điều khiển kim phun xăng, góp phần làm tăng độ nhạy (tính đáp ứng mở) của kim phun lên 2 lần so với chế độ điều khiển bằng nguồn ắc quy 12V ban đầu, hỗ trợ tối ưu hóa quá trình cung cấp nhiên liệu.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ tác giả:

  • Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu khai thác nguồn năng lượng điện cảm thu hồi được để cung cấp cho các phụ tải điện tiêu thụ liên tục hoặc gián đoạn khác trên ô tô, từ đó trực tiếp giảm tải cho máy phát điện xoay chiều và nâng cao hơn nữa hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu của động cơ.
  • Đề xuất ứng dụng cấu trúc tách rời mạch điều khiển đánh lửa để thuận tiện cho việc trích xuất xung tự cảm trên các dòng động cơ có bobine đánh lửa liền khối.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Đối tượng thử nghiệm thực tế mới chỉ được tiến hành trên một loại động cơ đốt trong cụ thể là động cơ xăng 1TR-FE lắp trên ô tô Toyota Innova phiên bản số sàn; chưa thực hiện kiểm chứng mở rộng trên các dòng động cơ phun xăng trực tiếp (GDI), động cơ Diesel (CRDi) hoặc các dòng xe du lịch khác.
  • Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mức độ chế tạo sản phẩm chức năng và đánh giá các thông số điện - năng lượng - động lực học; luận án chưa thực hiện các tính toán chi tiết về độ bền cơ học mỏi và tuổi thọ kết cấu của các linh kiện cơ khí trên mô hình thực nghiệm.
  • Do giới hạn về thời gian thực hiện, luận án chỉ mới tập trung sử dụng nguồn năng lượng điện cảm thu hồi để cấp cho kim phun ở mức 24V, chưa kịp thời triển khai thử nghiệm thực tế việc cấp điện cho các hệ thống phụ tải khác nhằm lượng hóa mức độ tiết kiệm nhiên liệu thông qua việc giảm tải cho máy phát điện trên xe.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng việc thu hồi và quản lý nguồn năng lượng điện cảm để cấp nguồn cho các hệ thống phụ tải điện đa dạng trên ô tô (như hệ thống chiếu sáng, các bơm điện tử EWP, EOP hoặc các cơ cấu chấp hành điện tử thân xe) nhằm đánh giá chi tiết mức độ giảm tải cho máy phát điện.
  • Tiến hành đo đạc, phân tích thành phần khí xả (CO, HC, $NO_x$) và suất tiêu hao nhiên liệu cụ thể của ô tô trên đường thử tiêu chuẩn khi hệ thống điều khiển kim phun 24V hoạt động.
  • Mở rộng ứng dụng trên các loại phương tiện hybrid và ô tô điện có sử dụng nhiều bộ chuyển đổi DC/DC và các cuộn cảm công suất lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại nhiều giá trị tư liệu khoa học hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Điện tử: Luận án là tài liệu tham khảo trong việc xây dựng mô hình toán mô tả hiện tượng tự cảm trên cơ cấu chấp hành, mô hình hóa mạch siêu tụ điện và phương pháp ghép nối thiết bị đo kiểm hiện đại (card NI USB-6009, cảm biến ACS712, dao động ký Tektronix và phần mềm LabVIEW).
  • Đối với giảng viên và các nhà nghiên cứu chuyên sâu: Phần tổng quan tài liệu (Chương 1) và cơ sở lý thuyết (Chương 2) cung cấp hệ thống số liệu trích dẫn chi tiết về các giải pháp mạch dập xung, mạch đánh lửa lai (Hybrid), đánh lửa kết hợp CDI - TI và ứng dụng linh kiện cuộn cảm chuẩn AEC-Q200 trên ô tô.
  • Đối với các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp sản xuất, cải tạo ô tô: Nội dung thiết kế phần cứng mạch thu hồi (Chương 3) và quy trình thử nghiệm đo công suất trên băng thử Mustang Dynamometer MD-500 (Chương 4) cung cấp sơ đồ nguyên lý mạch in 2 lớp, giải pháp tách khối kích hoạt đánh lửa và phương pháp điều khiển kim phun ở mức 24V mà không làm tổn hại cuộn từ của kim phun.

Câu hỏi thường gặp

1. Biên độ xung điện áp tự cảm phát sinh trên các cuộn cảm của động cơ ô tô đạt giá trị bao nhiêu?

Theo khảo sát lý thuyết và đo đạc thực tế trong luận án, trong quá trình chuyển mạch (transistor công suất ngắt dòng đột ngột), suất điện động tự cảm xuất hiện trên cuộn sơ cấp của bobine đánh lửa có biên độ rất cao, dao động từ 200V đến 500V (đo thực tế trên động cơ 1TR-FE đạt từ 350V đến 400V). Trên cuộn từ của các kim phun nhiên liệu, van điện từ và cuộn dây rơle, xung tự cảm phát sinh có biên độ từ 70V đến 120V (đo thực tế trên kim phun đạt từ 75V đến 80V).

2. Tại sao tác giả phải đề xuất tách khối IC đánh lửa trên bobine thành cụm rời trong quá trình thực nghiệm?

Trên hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS) của các dòng xe hiện đại như động cơ Toyota 1TR-FE, bobine và IC đánh lửa được tích hợp liền thành một khối kín có 4 chân giắc cắm (12V, GND, IGT, IGF). Việc tích hợp nguyên khối này gây khó khăn cho việc kết nối trực tiếp mạch thu hồi xung điện cảm tại đầu cuộn sơ cấp. Do đó, tác giả tiến hành tách rời phần điều khiển đánh lửa thành cụm mạch riêng bên ngoài nhằm tạo thuận lợi cho việc đo đạc, thu thập các xung điện động cao áp mà không làm thay đổi nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa hay ảnh hưởng đến sự vận hành của động cơ.

3. Hệ siêu tụ điện được tác giả lựa chọn sử dụng trong bộ tích trữ có thông số kỹ thuật như thế nào?

Sau khi tính toán năng lượng tích lũy cần thiết và điện áp của mạch, tác giả đã lựa chọn bộ lưu trữ năng lượng là một hệ siêu tụ điện (EDLC) có điện áp định mức 27V và dung lượng tương đương 35F (Hình 3.10 và Bảng 3.2 trong văn bản). Hệ siêu tụ này đảm bảo khả năng nạp - xả nhanh ở tần số cao mà không bị đánh thủng như các loại tụ điện thông thường.

4. Khi sử dụng nguồn 24V từ hệ siêu tụ để điều khiển kim phun, tính đáp ứng thay đổi ra sao và có làm kim phun bị quá nhiệt không?

Khi sử dụng nguồn điện áp 24V trích xuất từ hệ siêu tụ tích trữ, lực từ sinh ra trên cuộn dây kim phun tăng nhanh hơn, giúp rút ngắn thời gian nhấc ty kim, làm tăng độ nhạy (tính đáp ứng mở) của kim phun lên 2 lần so với chế độ điều khiển bằng nguồn ắc quy 12V tiêu chuẩn. Kết quả đo kiểm phân bố và đặc tuyến nhiệt độ (Hình 4.6 và 4.7) khẳng định mức nhiệt độ vận hành của kim phun vẫn duy trì ổn định trong giới hạn an toàn của nhà sản xuất, không xảy ra sự cố quá nhiệt.

5. Việc lắp đặt bộ thu hồi và tích trữ năng lượng điện cảm có làm suy giảm công suất hay mô-men xoắn của xe Toyota Innova không?

Kết quả thực nghiệm trên băng thử con lăn Mustang Dynamometer MD-500 qua 03 lần kiểm tra lặp lại (Hình 4.13, 4.14, 4.15) cho thấy: Các đường đặc tính công suất ($P_e$) và mô-men xoắn ($M_e$) tại bánh xe theo tốc độ vòng tua của ô tô thử nghiệm khi lắp đặt hệ thống thu hồi năng lượng điện cảm hoàn toàn trùng khớp và duy trì tương đương với trạng thái nguyên bản của xe, không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến tính năng động lực học của phương tiện.

Kết luận

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu, ứng dụng năng lượng điện cảm trên ô tô" của tác giả Phan Nguyễn Quí Tâm đã giải quyết thành công bài toán thu hồi nguồn năng lượng xung tự cảm biên độ cao (từ 70V đến 500V) vốn bị lãng phí trên cuộn sơ cấp bobine và kim phun của động cơ xăng 1TR-FE. Thông qua việc thiết kế mạch điện tử công suất tích hợp hệ siêu tụ điện 27V-35F, hệ thống không chỉ triệt tiêu các tác động nhiệt tiêu cực lên linh kiện bán dẫn mà còn tái cấp nguồn ở mức điện áp 24V giúp tăng độ nhạy đóng mở của kim phun lên hai lần. Các kết quả đo kiểm trên mô hình và trên ô tô Toyota Innova thông qua băng thử công suất Mustang Dynamometer MD-500 đã chứng minh tính chính xác của mô hình lý thuyết và khẳng định hệ thống hoạt động ổn định, bảo toàn trọn vẹn tính năng động lực học ban đầu của phương tiện.