Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu tính toán chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung điện cảm sử dụng bo bin đơn

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí nghiên cứu tính toán chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung điện cảm sử dụng bo bin đơn, ứng dụng hiệu quả.

• Tác giả: Đỗ Quốc Ấm
• Người hướng dẫn: Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu, tính toán, chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm sử dụng bo-bin đơn
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung điện cảm

Hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến, kết hợp ưu điểm của cả hai hệ thống đánh lửa điện dung và điện cảm. Hệ thống đánh lửa này sử dụng bo bin đơn để tối ưu hóa quá trình tích lũy và phóng năng lượng, nhằm tạo ra tia lửa hiệu quả hơn. Nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp, với mục tiêu khắc phục các nhược điểm của hệ thống đánh lửa truyền thống, đồng thời tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.

1.1. Cơ sở lý thuyết

Hệ thống đánh lửa hỗn hợp hoạt động dựa trên nguyên lý kết hợp giữa đánh lửa điện dung và đánh lửa điện cảm. Trong giai đoạn đầu, năng lượng được tích lũy trong cuộn sơ cấp của bo bin đơn, tạo ra sức điện động tự cảm. Giai đoạn tiếp theo, năng lượng này được chuyển sang tụ điện để phóng điện, tạo ra tia lửa mạnh và ổn định. Quá trình này giúp giảm thiểu nhiễu và tăng hiệu suất của hệ thống.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế hệ thống đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo bin đơn, nhằm tối ưu hóa quá trình tích lũy và phóng năng lượng. Nghiên cứu cũng hướng đến việc giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và phát thải, đồng thời nâng cao độ tin cậy của hệ thống đánh lửa trong các điều kiện vận hành khác nhau.

II. Phương pháp nghiên cứu và chế tạo

Nghiên cứu được thực hiện thông qua việc xây dựng mô hình toán học và thực nghiệm trên động cơ TOYOTA 1NZ-FE. Hệ thống đánh lửa hỗn hợp được thiết kế để tích lũy năng lượng tự cảm trong các tụ điện, sau đó sử dụng năng lượng này cho giai đoạn đánh lửa điện dung. Quá trình này giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

2.1. Xây dựng mô hình toán học

Mô hình toán học của hệ thống đánh lửa hỗn hợp được xây dựng dựa trên các phương trình mô tả quá trình tích lũy và phóng năng lượng. Các thông số như tổng trở mạch sơ cấp, hệ số tự cảm và dung lượng tụ điện được tính toán để đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống.

2.2. Thực nghiệm và đánh giá

Hệ thống đánh lửa hỗn hợp được thử nghiệm trên động cơ TOYOTA 1NZ-FE. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định ở các chế độ vận hành khác nhau và tiết kiệm được 25% năng lượng so với hệ thống đánh lửa truyền thống. Đồng thời, hệ thống cũng giảm thiểu đáng kể lượng phát thải ra môi trường.

III. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo bin đơn, mang lại hiệu quả cao trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các động cơ đốt trong, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô.

3.1. Hiệu quả năng lượng

Hệ thống đánh lửa hỗn hợp giúp tiết kiệm 25% năng lượng so với hệ thống truyền thống. Điều này không chỉ giảm chi phí vận hành mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm phát thải khí nhà kính.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Hệ thống đánh lửa hỗn hợp có thể được tích hợp vào các động cơ đốt trong hiện đại, đặc biệt là trong các dòng xe ô tô tiết kiệm nhiên liệu. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho công nghệ đánh lửa, hướng đến sự bền vững và hiệu quả cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 3 1.1 Lý do chọn đề tài nghiên cứu 3 1.2 Các kết quả trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên 6 cứu đã công bố 1.1 Các kết quả ngoài nước 6 1.1 Hệ thống đánh lửa điện cảm 6 1.2 Hệ thống đánh lửa điện dung 7 1.3 Hệ thống đánh lửa hỗn hợp 8 1.4 Một số nghiên cứu khác về hệ thống đánh 13 lửa 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 16 1.3 Kết luận – Đề xuất nghiên cứu 17 1.3 Mục tiêu nghiên cứu và mong muốn đạt được 18 x 1.1 Mục tiêu chính của luận án 18 1.2 Mong muốn đạt được 18 1.4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 19 1.1 Đối tượng nghiên cứu 19 1.2 Phạm vi nghiên cứu 19 1.3 Phương pháp nghiên cứu 19 1.5 Các nội dung chính và dự kiến kết quả nghiên cứu 19 1.1 Dự kiến các nội dung trong đề tài 19 1.2 Dự kiến kết quả nghiên cứu 20 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 2.1 Nhiệm vụ của hệ thống đánh lửa 23 2.2 Quá trình cháy trên động cơ đốt trong dùng nhiên 23 liệu xăng 2.3 Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa 24 2.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại V2m 24 2.2 Hiệu điện thế đánh lửa Vđl 24 2.3 Hệ số dự trữ Kdt 25 2.4 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S 25 2.5 Tần số và chu kỳ đánh lửa 25 2.6 Thời gian tích lũy năng lượng (tđ) 26 2.4 Năng lượng đánh lửa 26 2.1 Phân tích năng lượng của tia lửa điện 26 2.2 Một số các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng 29 đánh lửa 2.5 Hệ thống đánh lửa điện cảm 31 2.1 Giai đoạn tăng trưởng dòng điện sơ cấp 32 2.2 Giai đoạn ngắt dòng điện ở cuộn sơ cấp 33 2.3 Giai đoạn phóng điện ở điện cực bu-gi 35 2.4 Ưu, nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện cảm 36 xi 2.6 Hệ thống đánh lửa điện dung 36 2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống 36 đánh lửa điện dung (CDI- capacitor discharged ignition) 2.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện 37 dung 2.7 Sức điện động tự cảm 38 Chương 3: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH - MÔ PHỎNG VÀ THỰC 42 NGHIỆM HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HỖN HỢP ĐIỆN DUNG - ĐIỆN CẢM 3. Xây dựng mô hình toán cho hệ thống đánh lửa hỗn 42 hợp 3.1 Giới thiệu mô hình đánh lửa hỗn hợp 42 3.2 Các lý luận xây dựng mô hình tính toán 43 3.3 Xây dựng mô hình toán của hệ thống đánh lửa hỗn hợp 44 3.1 Các tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp - giai 44 đoạn đánh lửa điện cảm 3.2 Giai đoạn tích lũy năng lượng 45 3.3 Giai đoạn ngắt dòng điện sơ cấp 46 3.4 Đánh giá tần số của i1(t) và V1(t) 48 3. Hiệu chỉnh mô hình toán của mạch đánh lửa hỗn hợp 49 với các hệ số thực nghiệm 3.1 Kiểm chứng tính hợp lệ và độ chính xác của mô hình 50 toán cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp đã xây dựng 3.2 Đáp ứng dòng điện sơ cấp 𝑖1 và điện áp sơ cấp 𝑉1 thực 51 nghiệm 3.3 Đáp ứng dòng điện sơ cấp 𝑖1 và điện áp sơ cấp 𝑉1 tính 52 toán từ mô hình xii 3.1 Đáp ứng tính toán từ mô hình 52 3.2 Đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh 53 3.3 Đánh giá độ chính xác của mô hình đánh lửa 55 hỗn hợp đã xây dựng 3.3 Hàm truyền của hệ thống đánh lửa hỗn hợp 56 3.4 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số trong hệ thống 57 đến đặc tính hệ thống đánh lửa hỗn hợp 3.1 Ảnh hưởng của tổng trở mạch sơ cấp R đến giá trị V1 57 (t), i1(t) 3.2 Ảnh hưởng của hệ số tự cảm L1 của cuộn sơ cấp đến 58 đặc tính hệ thống 3.3 Ảnh hưởng của dung lượng tụ C1 đến đặc tính hệ thống 60 3.1 Ảnh hưởng của điện dung C1 đến thời gian tích 60 lũy năng lượng điện dung 3.2 Ảnh hưởng của điện dung tụ C1 đến điện áp sơ 62 cấp cực đại V1m và điện áp thứ cấp cực đại V2m 3.3 Ảnh hưởng của điện dung tụ C1 đến năng 64 lượng đánh lửa điện cảm Wđc và năng lượng đánh lửa điện dung Wđd 3.5 Cơ sở lựa chọn cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp 66 và dung lượng tụ phù hợp 3.1 Giới thiệu các cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp 67 3.2 Xác định giải dung lượng của tụ thỏa mãn yêu cầu làm 67 việc của hệ thống đánh lửa hỗn hợp 3.6 Các tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp – giai đoạn 69 đánh lửa điện dung 3.1 Mô hình tính toán 69 3.2 Xây dựng phương trình tổng quát cường độ dòng điện 70 id(t), sức điện động tự cảm ed(t) xiii 3.3 Khảo sát các đặc tính hệ thống đánh lửa hỗn hợp – giai 72 đoạn đánh lửa điện dung 3.1 Cường độ dòng điện id (t) và sức điện động tự cảm ed 72 (t) 3.2 Đánh giá ảnh hưởng tổng trở Rd đến cường độ dòng 73 điện id (t) và sức điện động tự cảm ed (t) 3.3 Đánh giá ảnh hưởng của hệ số tự cảm Ld đến 75 cường độ dòng điện id(t) và sức điện động ed(t) 3.7 Kết luận chương 3 76 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MẠCH ĐÁNH LỬA HỖN HỢP ĐIỆN 78 DUNG- ĐIỆN CẢM 4.1 Khảo sát hệ thống điều khiển đánh lửa trên động cơ 78 TOYOTA 1NZ-FE theo thiết kế của nhà chế tạo 4.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển động cơ 78 4.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa sử 78 dụng trên động cơ TOYOTA 1NZ-FE 4.3 Bộ đánh lửa 79 4.4 Điều khiển dòng điện qua cuộn sơ cấp của bo- 80 bin 4.5 Tín hiệu đánh lửa IGT- Ignition timing 80 4.6 Tín hiệu IGF- Ignition feedback 81 4.7 Sơ đồ mô tả hệ thống đánh lửa theo thiết kế của 81 nhà chế tạo trên động cơ TOYOTA 1NZ-FE 4.2 Chế tạo mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện 82 cảm 4.1 Cơ sở lý luận khi chế tạo mạch đánh lửa hỗn 82 hợp 4.2 Xác định dung lượng tụ C1 82 xiv 4.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa hỗn 84 hợp điện cảm - điện dung (sử dụng cho động cơ 4 xy- lanh) 4.4 Chế độ đánh lửa điện cảm 87 4.5 Chế độ đánh lửa điện dung 88 4.6 Mạch tạo tín hiệu IGF 89 4.7 Khảo sát sức điện động trên hệ thống đánh lửa 91 hỗn hợp 4.8 Ước lượng tuổi thọ của mạch đánh lửa hỗn hợp 91 điện dung – điện cảm 4.3 Kết luận chương 4 95 Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 96 5.1 Thực nghiệm đánh giá hiệu quả làm việc của hệ 96 thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm 5.1 Nội dung thực nghiệm 96 5.2 Đối tượng thực nghiệm 97 5.3 Các yêu cầu đối với thiết bị thực nghiệm 98 5.4 Trang thiết bị thực nghiệm 98 5.5 Sơ đồ bố trí trang thiết bị thí nghiệm 98 5.2 Các qui trình thực nghiệm 99 5.1 Xác định đặc tính Moment có ích (Me) và công 100 suất có ích (Ne) 5.2 Xác định lượng tiêu nhiên liệu theo giờ (Ge) và 100 suất tiêu hao nhiên liệu riêng (ge) 5.3 Đánh giá chất lượng khí thải 101 5.3 Kết quả thực nghiệm và nhận xét 101 5.1 Đặc tính công suất có ích Ne= f(n) và moment có 101 ích Me= f(n) xv 5.2 Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử 106 dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm 5.3 Đánh giá chất lượng khí thải 110 5.4 Kết luận chương 5 112 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 Phụ lục 1:XÁC ĐỊNH THỜI GIAN TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG tđ 124 TRÊN ĐỘNG CƠ TOYOTA 1NZ-FE Phụ lục 2: XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ t= tV1m KHI V1 ĐẠT GIÁ TRỊ 126 CỰC ĐẠI V1m Phụ lục 3: MÔ TẢ BOBIN DÙNG CHO ĐỘNG CƠ TOYOTA 128 1MZ-FE Phụ lục 4: CÁC TÍNH TOÁN TRONG CHẾ TẠO MẠCH ĐÁNH 129 LỬA HỖN HỢP ĐIỆN DUNG- ĐIỆN CẢM Phụ lục 5: TRANG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 138 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 143 xvi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CDI Capacitor discharge ignition – Hệ thống đánh lửa điện dung HTĐL Hệ thống đánh lửa Engine ECU Electronic control unit – Mô-dun điều khiển động cơ GĐ Giai đoạn TI Transistorized ignition system - Hệ thống đánh lửa sử dụng transitor SCR Silicon Controlled Rectifier - Linh kiện bán dẫn Thyristor ESA Electronic spark advanced - Đánh lửa sớm điện tử COP Coil- on plug - Bobin đánh lửa được bố trí phía trên bugi IGT Ignition timing - Thời điểm đánh lửa IGF Ignition feedback - Hồi tiếp đánh lửa RPM Revolution per minute - Vòng/ phút ppm Part per million - Phần triệu Các ký hiệu %vol % volume - Phần trăm theo thể tích A/F Air fuel ratio - Tỷ số không khí và nhiên liệu 𝜆 Hệ số dư lượng không khí 1 Φ = ……… Độ đậm của hỗn hợp λ B Battery - Accu R Resistor – Điện trở L Inductance - Hệ số tự cảm C Capacitor – Tụ điện ge Suất tiêu hao nhiên liệu riêng (g/kW.giờ) Gnl Lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ (g/giờ) CO Carbon monoxide (% thể tich) HC Hydrocarbons (ppm thể tích) xvii IT Dòng tải lớn nhất qua SCR IGTmax Dòng điều khiển lớn nhất của SCR IB Dòng điều khiển transistor IBmax Dòng điều khiển cực đại transistor VDRM Điện áp ngược lớn nhất có thể đặt vào SCR IC Dòng điện tải của transistor ICmax Dòng điện tải cực đại của transistor VCBO Điện áp nghịch lớn nhất giữa cực C và cực B của transistor hFE Hệ số khuyếch đại của transistor fT Tần số giới hạn của transistor làm việc bình thường Tj Nhiệt độ làm việc transistor IF Dòng điện dòng điện thuận trung bình của diode IFSM Giá trị dòng thuận chịu được lớn nhất trong thời gian xác định của diode VRRM Điện áp ngược lớn nhất mà diode chịu đựng được xviii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TÊN HÌNH TRANG Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa điện cảm (a), 6 điện dung (b) Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống đánh lửa phóng - nạp xả với chu kỳ điện 9 dung và điện cảm Hình 1.3 Hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ đốt trong 10 Hình 1.4 Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài 11 thời gian xuất hiện tia lửa điện Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ thống đánh lửa Hybrid có thể thay 11 đổi thời gian xuất hiện tia lửa Hình 1.6 Điện thế thứ cấp đánh lửatrên hệ thống đánh lửa lai 12 Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung điện cảm 12 Hình 1.8 Điện áp đánh lửa trên bugi có ba cặp điện cực 13 Hình 1.