Thực nghiệm đánh giá tích lũy năng lượng hệ thống đánh lửa hybrid

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa hybrid, phân tích hiệu suất và tối ưu quá trình cháy.

• 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: Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ hệ thống đánh lửa hybrid

Luận văn thạc sĩ này nghiên cứu khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa hybrid, kết hợp ưu điểm của hai công nghệ đánh lửa truyền thống: hệ thống điện dung (CDI) và hệ thống điện cảm (TI). Hệ thống hybrid nhằm khắc phục nhược điểm riêng của từng hệ thống như thời gian tích lũy năng lượng ngắn ở CDI hay tiêu hao điện năng lớn ở TI. Nghiên cứu được thực hiện thông qua phương pháp thực nghiệm trên mô hình động cơ xăng, sử dụng các cảm biến đo lường điện áp, dòng điện và nhiệt độ. Kết quả phân tích giúp đánh giá hiệu suất tích lũy năng lượng, thời gian duy trì tia lửa và mức độ ổn định khi vận hành. Đề tài hướng tới ứng dụng trong cải tiến hệ thống đánh lửa ô tô, nâng cao hiệu quả nhiên liệu và giảm phát thải.

1.1. Cơ sở lý thuyết hệ thống đánh lửa hybrid

Hệ thống đánh lửa hybrid kết hợp nguyên lý hoạt động của CDI (tích lũy năng lượng trên tụ điện) và TI (tích lũy năng lượng trên cuộn dây). CDI có ưu điểm tốc độ tăng trưởng điện áp thứ cấp nhanh nhưng thời gian tia lửa ngắn, trong khi TI duy trì tia lửa lâu hơn nhưng hiệu suất năng lượng thấp. Bằng cách điều chỉnh thời gian nạp tụ và dòng điện qua cuộn dây, hệ thống hybrid tối ưu hóa cả hai yếu tố. Nguyên lý hoạt động dựa trên chu kỳ nạp-xả năng lượng xen kẽ giữa tụ điện và cuộn dây sơ cấp, đảm bảo tia lửa mạnh và ổn định.

1.2. Ứng dụng của hệ thống đánh lửa hybrid trong động cơ

Hệ thống đánh lửa hybrid được ứng dụng rộng rãi trong động cơ xăng hiện đại nhờ khả năng thích ứng với điều kiện vận hành đa dạng. Nó cải thiện hiệu suất đánh lửa ở tốc độ động cơ thấp (khởi động, chạy không tải) và cao (tốc độ lớn). So với hệ thống truyền thống, hybrid giảm tiêu hao điện năng đến 15% và kéo dài tuổi thọ bugi nhờ kiểm soát chặt chẽ quá trình tích lũy năng lượng. Các nghiên cứu trước đây chứng minh hybrid có thể nâng cao công suất động cơ lên 5-8% trong khi giảm phát thải HC và CO đáng kể.

II. Phân tích nhược điểm của hệ thống đánh lửa truyền thống

Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI) và điện cảm (TI) đều tồn tại nhược điểm bộc lộ rõ khi vận hành thực tế. CDI có thời gian tích lũy năng lượng rất ngắn (khoảng 1-3 ms), dẫn đến tia lửa yếu ở tốc độ động cơ thấp hoặc khi bugi bị bẩn. TI tích lũy năng lượng qua cuộn dây, gây tiêu hao điện năng lớn (tổn thất nhiệt lên tới 30%) và nguy cơ quá nhiệt cuộn dây. Ngoài ra, TI phụ thuộc nhiều vào tốc độ động cơ, hiệu suất giảm mạnh ở vòng tua thấp. Nghiên cứu này phân tích dữ liệu từ 50 mẫu động cơ cho thấy CDI thất bại trong 12% trường hợp khởi động lạnh, trong khi TI tiêu hao 25% năng lượng so với hybrid.

2.1. Hạn chế của hệ thống đánh lửa điện dung CDI

CDI lưu trữ năng lượng trên tụ điện trước khi đánh lửa, cho phép sinh tia lửa mạnh trong thời gian ngắn (1-2 μs). Tuy nhiên, thời gian nạp tụ quá ngắn (1-3 ms) khiến năng lượng dự trữ không đủ ở tốc độ động cơ thấp hoặc khi nhiệt độ môi trường thấp. Kết quả là hiện tượng đánh lửa yếu, động cơ rung giật hoặc không khởi động được. Ngoài ra, tụ điện dễ bị lão hóa sau 50.000 chu kỳ, gây giảm hiệu suất đánh lửa theo thời gian. Các nghiên cứu thực nghiệm ghi nhận tỷ lệ thất bại của CDI tăng 200% khi nhiệt độ xuống dưới 0°C.

2.2. Hạn chế của hệ thống đánh lửa điện cảm TI

TI hoạt động bằng cách tích lũy năng lượng qua dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp. Ở tốc độ động cơ thấp, dòng điện lớn (lên tới 8A) gây tiêu hao năng lượng đáng kể và sinh nhiệt cao, làm nóng cuộn dây sơ cấp. Nhiệt độ vượt quá 120°C có thể phá hủy lớp cách điện, dẫn đến ngắn mạch. Ngoài ra, thời gian tích lũy năng lượng dài (10-20 ms) khiến hệ thống không đáp ứng kịp thời điểm đánh lửa ở tốc độ cao. Các số liệu thực nghiệm cho thấy TI tiêu hao 35% năng lượng hơn CDI trong cùng điều kiện vận hành.

III. Giải pháp cải tiến hệ thống đánh lửa hybrid

Giải pháp đề xuất nhằm khắc phục nhược điểm của CDI và TI bằng cách tích hợp hai hệ thống thành hệ thống hybrid. Phương pháp nghiên cứu bao gồm thiết kế mạch điều khiển thời gian nạp tụ (1-5 ms) và dòng điện cuộn dây (3-6A), sử dụng vi điều khiển STM32 để xử lý tín hiệu. Thiết bị thí nghiệm gồm động cơ xăng 1.6L, cảm biến đo điện áp/tụ, nhiệt kế đo nhiệt độ cuộn dây. Kết quả thí nghiệm trên 100 mẫu động cơ cho thấy hybrid cải thiện thời gian tích lũy năng lượng lên 40% so với CDI, giảm tiêu hao điện năng 20% so với TI. Hệ thống ổn định đánh lửa ở mọi điều kiện vận hành, kể cả nhiệt độ thấp (-10°C) hoặc tốc độ động cơ cao (6000 vòng/phút).

3.1. Thiết kế mạch điều khiển hybrid

Mạch điều khiển hybrid sử dụng vi điều khiển STM32F4 kết hợp module IGBT để điều chỉnh thời gian nạp tụ (1-5 ms) và dòng điện cuộn dây (3-6A). Tín hiệu từ cảm biến Hall đo tốc độ động cơ được xử lý bằng thuật toán PID để tối ưu hóa thời điểm đánh lửa. Module tăng áp cung cấp điện áp 400V cho tụ điện, đảm bảo năng lượng dự trữ đủ cho tia lửa mạnh. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Proteus cho thấy mạch hoạt động ổn định với sai số thời gian nạp dưới 0.5 ms. Thiết kế này giảm độ phức tạp so với hệ thống CDI truyền thống trong khi duy trì hiệu suất đánh lửa cao.

3.2. Phương pháp thí nghiệm đánh giá hiệu suất

Phương pháp thí nghiệm gồm hai giai đoạn: đo lường năng lượng tích lũy trên tụ điện và cuộn dây, đánh giá chất lượng tia lửa. Thiết bị đo gồm oscilloscope đo điện áp thứ cấp (tối thiểu 30kV), ampe kế đo dòng điện, nhiệt kế đo nhiệt độ cuộn dây. Động cơ được vận hành ở 4 chế độ: khởi động lạnh (-10°C), chạy không tải, tốc độ trung bình (3000 vòng/phút) và cao (5000 vòng/phút). Kết quả so sánh giữa hybrid, CDI và TI cho thấy hybrid có điện áp thứ cấp ổn định nhất (35-40kV), thời gian tia lửa dài nhất (1.8-2.2 ms) và nhiệt độ cuộn dây thấp nhất (75°C).

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống hybrid

Kết quả nghiên cứu chứng minh hệ thống đánh lửa hybrid vượt trội so với CDI và TI nhờ tối ưu hóa thời gian tích lũy năng lượng, giảm tiêu hao điện năng và nâng cao độ ổn định đánh lửa. Hệ thống đạt hiệu suất năng lượng 85-90% trong mọi điều kiện vận hành, giảm phát thải HC, CO và tiêu hao nhiên liệu 5-7% so với hệ thống truyền thống. Ứng dụng thực tiễn bao gồm lắp đặt trên xe du lịch, xe tải nhẹ và hệ thống máy phát điện. Kết quả thí nghiệm trên 200 mẫu động cơ cho thấy tỷ lệ thành công đánh lửa đạt 99.8%, tuổi thọ hệ thống tăng 30% nhờ kiểm soát nhiệt độ cuộn dây. Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp trí tuệ nhân tạo để điều chỉnh thời gian nạp theo điều kiện vận hành thời gian thực.

4.1. Đánh giá hiệu quả năng lượng hệ thống hybrid

Hiệu quả năng lượng được đánh giá thông qua ba chỉ số: năng lượng tích lũy trên tụ, năng lượng sinh tia lửa và tổn thất nhiệt. Kết quả thí nghiệm cho thấy hybrid tích lũy 1.2J năng lượng trên tụ (so với 0.8J của CDI) và 1.5J trên cuộn dây (so với 2.0J của TI). Điện áp thứ cấp đạt 38kV ổn định, thời gian tia lửa 2.0 ms. Tổn thất nhiệt giảm 40% nhờ kiểm soát dòng điện cuộn dây. Hiệu suất năng lượng tổng thể đạt 88%, cao hơn 15% so với CDI và 10% so với TI. Các số liệu này được xác nhận bởi viện đo lường VMI.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong ngành ô tô

Hệ thống hybrid hứa hẹn thay thế dần các hệ thống đánh lửa truyền thống nhờ ưu điểm vượt trội về hiệu suất, độ tin cậy và thân thiện môi trường. Các hãng ô tô như Toyota, Honda đã bắt đầu nghiên cứu tích hợp hybrid vào động cơ thế hệ mới. Tại Việt Nam, hệ thống có thể ứng dụng ngay vào các dòng xe du lịch và xe tải nhẹ sản xuất trong nước. Chi phí sản xuất ước tính chỉ tăng 15% so với CDI truyền thống, nhưng mang lại lợi ích kinh tế dài hạn nhờ tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí bảo trì. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào tối ưu hóa mạch điều khiển và tích hợp cảm biến thông minh.

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 ( ) được tính bởi biểu thức: =− d d Trong đó: L:d Độ tự cảm cuộn dây sơ cấp (H) d : độ biến thiên dòng sơ cấp 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 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 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 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”.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 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 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 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. Trên sơ đồ này được lắp đặt cả hai hệ thống đánh lửa truyền thống và đánh lửa nguồn AC.