Tổng quan luận án

Hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện áp thấp của ắc quy (12V hoặc 24V) thành các xung điện cao áp (từ 7 kV đến 40 kV, thông thường từ 15.000V) để tạo ra tia lửa điện giữa hai cực bu-gi, đốt cháy hòa khí vào cuối quá trình nén. Hai kiểu hệ thống đánh lửa truyền thống gồm: hệ thống đánh lửa điện cảm (Transistorized Ignition - TI) tích lũy năng lượng trong từ trường của cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa (bo-bin) và hệ thống đánh lửa điện dung (Capacitor Discharge Ignition - CDI) tích lũy năng lượng trong điện trường của tụ điện. Trong hệ thống đánh lửa điện cảm, ở thời điểm ngắt dòng điện sơ cấp để sinh ra cao áp ở cuộn thứ cấp, trên cuộn sơ cấp luôn xuất hiện sức điện động tự cảm có giá trị dao động từ 100V đến 300V. Điện áp tự cảm này là nguyên nhân chính gây hư hỏng thiết bị đóng ngắt (cháy rỗ tiếp điểm vít lửa hoặc đánh thủng transistor công suất), kéo dài thời gian triệt tiêu dòng sơ cấp làm suy giảm điện áp thứ cấp cực đại, đồng thời gây xung nhiễu điện từ ảnh hưởng tiêu cực đến các bộ điều khiển điện tử (ECU) trên ô tô. Các giải pháp truyền thống (mắc tụ điện hoặc diode Zener song song với phần tử đóng ngắt) chỉ có tác dụng dập xung bảo vệ mà làm tiêu tán toàn bộ năng lượng tự cảm thành nhiệt năng. Mặc dù năng lượng yêu cầu cho một lần đánh lửa của bu-gi tương đối nhỏ (>15 mJ), nhưng xét trên chuỗi truyền chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu qua động cơ, máy phát điện, bộ truyền đai, ắc quy với nhiều mức tổn thất nhân dồn, cùng với mật độ hàng tỷ phương tiện ô tô trên thế giới, việc thu hồi và tái sử dụng năng lượng tự cảm "thừa" là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Luận án xác lập mục tiêu nghiên cứu và các nhiệm vụ cụ thể như sau:

  • Mục tiêu chính: Nghiên cứu chứng minh tính khả thi của hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung và điện cảm sử dụng bo-bin đơn; xây dựng giải pháp tận dụng năng lượng tự cảm dự trữ từ giai đoạn đánh lửa điện cảm để cung cấp trực tiếp cho giai đoạn đánh lửa điện dung, qua đó tiết kiệm năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa, giảm ô nhiễm môi trường và hạn chế tác hại xấu đến các thiết bị điện trên ô tô.
  • Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:
    1. Xây dựng mô hình nguyên lý của hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm sử dụng bo-bin đơn (Coil-on-Plug - COP, một biến áp đánh lửa cho một bu-gi) có khả năng tích lũy năng lượng tự cảm phục vụ cho quá trình đánh lửa điện dung.
    2. Lập mô hình toán học mô tả các quá trình biến thiên cường độ dòng điện ($i$) và sức điện động tự cảm ($e$) trong hệ thống đánh lửa hỗn hợp đề xuất.
    3. Mô phỏng hoạt động trên phần mềm chuyên dụng (Matlab) và xác định các thông số kỹ thuật của hệ thống.
    4. Thiết kế, chế tạo mô hình thực tế hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bo-bin đơn kết hợp hai chế độ điện cảm và điện dung.
    5. Thực nghiệm hoạt động của hệ thống, đối chiếu và đánh giá kết quả thực nghiệm so với các tính toán mô hình lý thuyết.
    6. Thực nghiệm đánh giá mức độ tác động của hệ thống đánh lửa hỗn hợp đến các chỉ tiêu vận hành của động cơ (công suất có ích $N_e$, mô-men xoắn có ích $M_e$, suất tiêu hao nhiên liệu riêng $g_e$, lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ $G_{nl}$ và chất lượng khí thải CO, HC).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm sử dụng trên động cơ xăng nhiều xy-lanh.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát, mô hình hóa toán học, mô phỏng số, chế tạo phần cứng và thử nghiệm thực nghiệm hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bo-bin đơn (COP) hỗn hợp điện cảm - điện dung trên động cơ xăng 4 kỳ, 4 xy-lanh thẳng hàng TOYOTA 1NZ-FE (dung tích 1.497 cc). Cơ chế tích lũy năng lượng tự cảm được thực hiện qua cụm 3 tụ điện dung lượng $1\mu\text{F}$ (tổng điện dung $3\mu\text{F}$) từ 3 chu kỳ đánh lửa điện cảm để cung cấp cho 1 chu kỳ đánh lửa điện dung tiếp theo.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu tiêu biểu trong và ngoài nước về các hệ thống đánh lửa:

Các công trình nghiên cứu ngoài nước:

  • Charles F. Kettering (1908): Phát minh hệ thống đánh lửa điện cảm (TI), đặt nền tảng cho việc tích lũy năng lượng từ trường trên cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa.
  • Nikola Tesla (1897, Bằng sáng chế Hoa Kỳ số #60925): Sáng chế hệ thống đánh lửa điện dung (CDI), ứng dụng đầu tiên trên mẫu xe Ford Model K (1906), sử dụng cơ chế nạp xả nhanh của tụ điện để tạo điện áp thứ cấp có tốc độ tăng trưởng cao.
  • Martin E. Gerry (1981, Bằng sáng chế Hoa Kỳ US 4,291,661 và công trình liên quan): Đề xuất hệ thống đánh lửa phóng - nạp tuần hoàn kết hợp chu kỳ điện dung và điện cảm, sử dụng nguồn xoay chiều AC cấp điện liên tục qua cuộn sơ cấp mắc nối tiếp tụ điện nhằm tạo ra nhiều xung cao áp thứ cấp trong một chu kỳ đánh lửa.
  • Michael J. Frech và cộng sự: Thiết kế hệ thống đánh lửa hỗn hợp sử dụng biến áp đánh lửa có 3 cuộn sơ cấp; tụ điện phóng qua cuộn sơ cấp thứ nhất tạo tia lửa mồi ban đầu, sau đó ECU điều khiển đóng ngắt các transistor để duy trì tia lửa điện cảm kéo dài.
  • Lepley và Girard: Nghiên cứu hệ thống CDI kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa bằng cách sử dụng một biến áp đệm, tụ điện C1 và hai công tắc S1, S2 để bổ sung dòng điện cảm ứng từ biến áp đệm vào cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa chính.
  • Audris Šimakauskas (Vilnius Gediminas Technical University): Thiết kế hệ thống đánh lửa lai điều chỉnh thời gian xuất hiện tia lửa, kết hợp mạch CDI phát xung điện áp 30 - 40 kV để ion hóa môi trường khe hở bu-gi và mạch TI phát xung vài kV để duy trì hồ quang.
  • Ming Zheng và cộng sự: Phát triển hệ thống đánh lửa đa điểm năng lượng cao sử dụng bu-gi có 3 cặp điện cực được cấp năng lượng độc lập, giúp rút ngắn thời gian trễ đánh lửa và mở rộng giới hạn cháy của hòa khí nghèo.
  • Peter Weyand (Delphi): Giới thiệu thiết bị cảm nhận dòng ion (Current sensing), tận dụng năng lượng từ biến áp đánh lửa nạp cho tụ điện đạt mức 80 - 120 V nhằm đo sụt áp trên điện trở R1 qua môi trường ion hóa, phục vụ phát hiện hiện tượng bỏ lửa (misfire) và đánh lửa sớm.
  • Prashant Patane: Nghiên cứu hệ thống đánh lửa bằng tia Laser đa điểm hội tụ năng lượng trong buồng đốt nhằm đốt cháy hòa khí nghèo mà không gây hao mòn điện cực bu-gi.

Các công trình nghiên cứu trong nước:

  • Lâm Bá Nhạ và Đỗ Văn Dũng: Chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực tiếp theo hai phương án sử dụng bo-bin đôi và bo-bin đơn trên động cơ Toyota 5A-FE.
  • Nguyễn Văn Thình và cộng sự: Tính toán và chế tạo bộ đánh lửa bán dẫn đa năng có khả năng lắp lẫn cho nhiều dòng xe ô tô tại Việt Nam.
  • Lê Văn Tụy và cộng sự: Thiết kế mạch điều khiển góc đánh lửa sớm cho động cơ M161 trên xe Mercedes-Benz 140 khi chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu kép xăng - LPG.
  • Nguyễn Duy Tấn: Nghiên cứu bán dẫn hóa hệ thống đánh lửa trên xe thiết giáp BTR-60BP theo nguyên lý điện dung có sử dụng má vít.
  • Đỗ Quốc Ấm và cộng sự (2008 - 2010): Thiết kế, chế tạo mạch đánh lửa theo chương trình sử dụng vi điều khiển Atmega8 lập trình bằng Bascom AVR trên xe Honda Acura.
  • Đỗ Văn Dũng và Lâm Phương An: Nghiên cứu tương thích hóa đặc tuyến làm việc của IC đánh lửa theo chương trình nhằm đáp ứng khả năng lắp lẫn giữa các hãng sản xuất xe.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình về hệ thống đánh lửa lai trên thế giới chủ yếu tập trung vào mục tiêu kéo dài thời gian tồn tại của tia lửa hoặc tăng số lượng tia lửa bu-gi bằng cách cấp thêm nguồn điện độc lập. Chưa có công trình nào nghiên cứu giải pháp thu hồi trực tiếp năng lượng từ sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp bo-bin ở các giai đoạn đánh lửa điện cảm, tích lũy vào tụ điện để cung cấp trực tiếp cho giai đoạn đánh lửa điện dung tiếp theo trên động cơ nhiều xy-lanh sử dụng bo-bin đơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết quá trình cháy cưỡng bức trong động cơ xăng và lý thuyết mạch điện quá độ của hệ thống đánh lửa:

  • Các thông số đặc trưng của hệ thống đánh lửa: Hiệu điện thế thứ cấp cực đại $V_{2m}$, hiệu điện thế đánh lửa $V_{đl}$, hệ số dự trữ đánh lửa $K_{dt} = \frac{V_{2m}}{V_{đl}}$, tốc độ biến thiên hiệu điện thế thứ cấp $S = \frac{dV_2}{dt}$ (đạt 300 - 500 V/ms ở hệ thống TI và 3 - 10 kV/ms ở hệ thống CDI), thời gian tích lũy năng lượng sơ cấp $t_đ$, chu kỳ và tần số đánh lửa.
  • Biểu thức năng lượng đánh lửa: Năng lượng tích lũy trong cuộn sơ cấp ở chế độ điện cảm xác định theo công thức $W_L = \frac{1}{2} L_1 i_đ^2$; năng lượng tích lũy trên tụ điện ở chế độ điện dung xác định theo công thức $W_{đd} = \frac{1}{2} C V_n^2$. Mối quan hệ giữa năng lượng đánh lửa cực tiểu với độ đậm đặc hòa khí $\Phi = 1/\lambda$ và thời gian tồn tại tia lửa điện.
  • Cơ chế hình thành sức điện động tự cảm: Theo định luật cảm ứng điện từ, khi ngắt dòng sơ cấp $i_1$, sức điện động tự cảm xuất hiện trên cuộn sơ cấp có biểu thức $e_1 = - W_1 \frac{d\Phi}{dt} = - L_1 \frac{di_1}{dt}$, đạt giá trị đỉnh từ 100V đến 300V.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết giải tích, mô phỏng số và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả mạch điện ở giai đoạn tích lũy dòng sơ cấp $i_1(t) = \frac{U}{R}(1 - e^{-t/\tau})$ (với $\tau = L_1/R$), giai đoạn ngắt dòng sơ cấp nạp điện áp tự cảm vào tụ $C_1$, và giai đoạn phóng điện tích từ tụ $C_1$ qua cuộn sơ cấp ở chế độ điện dung (dòng $i_d(t)$ và sức điện động $e_d(t)$). Lập trình giải và mô phỏng đáp ứng trên phần mềm Matlab; xác lập hàm truyền của hệ thống.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo phần cứng: Thiết kế bo mạch in điều khiển hệ thống đánh lửa hỗn hợp tích hợp các linh kiện bán dẫn công suất (transistor công suất, Thyristor SCR), khối tụ điện tích lũy $3\mu\text{F}$ (3 tụ $1\mu\text{F}$ song song), mạch diode chặn dòng ngược và mạch tạo tín hiệu phản hồi IGF tương thích với ECU Toyota.
  • Phương pháp thực nghiệm động cơ trên bệ thử: Lắp đặt hệ thống chế tạo lên động cơ xăng TOYOTA 1NZ-FE trên băng thử động cơ. Tiến hành đo đạc đối chứng các thông số công suất có ích $N_e$, mô-men xoắn có ích $M_e$, lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ $G_{nl}$, suất tiêu hao nhiên liệu riêng $g_e$ và phân tích nồng độ khí xả CO, HC theo quy chuẩn TCVN 6438-2018 tại 5 mức tải: 20%, 35%, 50%, 75% và 100% trên toàn dải vòng tua hoạt động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu giảm tiêu hao năng lượng và khí thải trên động cơ xăng. Tác giả chỉ rõ các đặc tính kỹ thuật trái ngược giữa hai hệ thống đánh lửa cơ bản:

  • Hệ thống TI có thời gian phóng điện dài (100 $\mu$s đến 2 ms), nhưng thời gian nạp dòng dài, điện áp tăng trưởng chậm (300 - 500 V/ms), năng lượng suy giảm ở tốc độ cao và sinh ra sức điện động tự cảm 100 - 300V gây hại mạch đóng ngắt.
  • Hệ thống CDI có tốc độ tăng điện áp nhanh (3 - 10 kV/ms), điện áp thứ cấp cao (30 - 40 kV), thời gian nạp xả ngắn (0,1 - 0,4 ms), thích hợp cho tốc độ cao nhưng thời gian duy trì tia lửa ngắn, dễ gây bỏ lửa khi hòa khí nghèo.

Chương này tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định khoảng trống nghiên cứu, đề xuất mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và thiết lập lưu đồ nghiên cứu tổng quát (Bảng 1.1).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày lý thuyết cơ bản về quá trình tạo tia lửa điện và cơ chế cháy của hòa khí trong buồng đốt động cơ xăng. Tác giả phân tích chi tiết:

  • Mối quan hệ giữa áp suất trong xy-lanh theo góc quay trục khuỷu và các yêu cầu năng lượng tối thiểu của tia lửa điện phụ thuộc vào tỷ số hòa khí $\Phi = 1/\lambda$.
  • Diễn biến vật lý của 3 giai đoạn trong hệ thống đánh lửa điện cảm: (1) Giai đoạn tăng trưởng dòng sơ cấp theo hàm mũ; (2) Giai đoạn ngắt dòng sơ cấp triệt tiêu từ thông; (3) Giai đoạn phóng điện cao áp ở cuộn thứ cấp (15 - 22 kV).
  • Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện dung (AC-CDI và DC-CDI sử dụng bộ biến đổi nâng áp từ 12V lên 400 - 600V DC).
  • Bản chất và biểu thức toán học của sức điện động tự cảm $e_1 = - L_1 \frac{di_1}{dt}$, khẳng định đây là nguồn năng lượng có thể thu hồi được để phục vụ cho các chu kỳ đánh lửa tiếp theo.

Chương 3: Khảo sát đặc tính - Mô phỏng và thực nghiệm hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm

Chương 3 tập trung xây dựng và kiểm chứng mô hình toán học của hệ thống đánh lửa hỗn hợp:

  • Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả mạch sơ cấp ở giai đoạn đánh lửa điện cảm (quá trình tăng trưởng dòng và quá trình ngắt dòng nạp năng lượng vào tụ $C_1$) và giai đoạn đánh lửa điện dung (quá trình xả năng lượng từ tụ $C_1$ qua cuộn sơ cấp bo-bin tạo dòng $i_d(t)$ và sức điện động $e_d(t)$).
  • Hiệu chỉnh mô hình toán học bằng các hệ số thực nghiệm, so sánh dạng sóng và giá trị đỉnh dòng sơ cấp $i_{1m}$ và điện áp tự cảm sơ cấp $V_{1m}$ giữa lý thuyết và thực nghiệm tại các thời gian tích lũy $t_đ$ khác nhau, xác nhận độ chính xác của mô hình.
  • Xác định hàm truyền của hệ thống đánh lửa hỗn hợp.
  • Khảo sát ảnh hưởng của các thông số mạch:
    • Tổng trở sơ cấp $R$: Khi $R$ tăng, biên độ cực đại của dòng $i_1$ và điện áp tự cảm $V_1$ đều giảm.
    • Hệ số tự cảm sơ cấp $L_1$: Tác động đến thời gian tăng dòng, giá trị cực đại và tần số dao động của điện áp tự cảm $V_1$.
    • Dung lượng tụ điện $C_1$: Ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian nạp bão hòa $t_{bh}$, thời gian nạp thực tế $t_{V1m}$, điện áp sơ cấp cực đại $V_{1m}$, điện áp thứ cấp cực đại $V_{2m}$, năng lượng đánh lửa điện cảm $W_{đc}$ và năng lượng đánh lửa điện dung $W_{đd}$.
  • Đưa ra cơ sở lý thuyết lựa chọn cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp và xác định dải dung lượng tụ điện phù hợp cho động cơ nhiều xy-lanh (Bảng 3.2).

Chương 4: Chế tạo mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm

Chương 4 mô tả quá trình thiết kế, lựa chọn linh kiện và chế tạo bo mạch điều khiển thực tế:

  • Khảo sát hệ thống điều khiển đánh lửa sớm điện tử (ESA) nguyên bản trên động cơ TOYOTA 1NZ-FE, bao gồm cấu trúc bo-bin đơn (COP), tín hiệu thời điểm đánh lửa IGT và tín hiệu phản hồi IGF gửi về ECU.
  • Thiết kế mạch phần cứng:
    • Khối nạp: Thu hồi điện áp tự cảm sinh ra từ 3 xy-lanh hoạt động ở chế độ điện cảm nạp vào cụm 3 tụ điện $1\mu\text{F}$ mắc song song (tổng điện dung $3\mu\text{F}$).
    • Khối xả: Sử dụng linh kiện bán dẫn Thyristor (SCR) điều khiển phóng điện áp tích lũy trên tụ $3\mu\text{F}$ vào cuộn sơ cấp bo-bin của xy-lanh thứ tư ở chế độ điện dung.
    • Khối phản hồi: Thiết kế mạch tạo tín hiệu IGF tương thích hoàn toàn với dạng xung chuẩn của ECU Toyota, ngăn ngừa hiện tượng báo lỗi hệ thống điều khiển động cơ.
  • Tính toán năng lượng đánh lửa tại các tốc độ động cơ ở nhiệt độ môi trường tiêu chuẩn ($30^\circ\text{C}$) và nhiệt độ khoang động cơ ($96^\circ\text{C}$) (Bảng 4.1, Bảng 4.2, Bảng 4.3).
  • Lựa chọn linh kiện bán dẫn (Bảng 4.4) và ước lượng tuổi thọ của các phần tử trong mạch (Bảng 4.5) nhằm bảo đảm độ bền khi vận hành lâu dài.

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả thử nghiệm trên động cơ TOYOTA 1NZ-FE lắp trên bệ thử dynamometer:

  • Bố trí thí nghiệm, trang thiết bị đo và quy trình thử nghiệm tại các mức tải 20%, 35%, 50%, 75% và 100%.
  • Đánh giá đặc tính công suất và mô-men xoắn: Đồ thị $N_e = f(n)$ và $M_e = f(n)$ cho thấy hệ thống đánh lửa hỗn hợp bảo đảm công suất và mô-men xoắn có ích tương đương với hệ thống đánh lửa nguyên bản của nhà sản xuất, động cơ làm việc ổn định ở mọi dải tốc độ.
  • Đánh giá tiêu hao nhiên liệu và năng lượng:
    • Đo đạc suất tiêu hao nhiên liệu riêng $g_e$ (g/kW.h) và lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ $G_{nl}$ (g/h).
    • Phân tích chuỗi truyền năng lượng từ nhiên liệu qua động cơ, máy phát điện, đai truyền, ắc quy đến hệ thống đánh lửa.
    • Xác định hệ thống đánh lửa hỗn hợp tiết kiệm được 25% năng lượng cung cấp cho hệ thống đánh lửa (tính trên một lần đánh lửa/một chu kỳ công tác của động cơ) do xy-lanh thứ tư tận dụng hoàn toàn năng lượng tự cảm tích lũy từ 3 xy-lanh trước đó mà không tiêu thụ điện từ ắc quy.
  • Đánh giá phát thải khí xả: Đo nồng độ khí xả CO (% thể tích) và HC (ppm thể tích) theo tiêu chuẩn TCVN 6438-2018; kết quả đối sánh (Bảng 5.6) cho thấy lượng khí thải độc hại khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp đáp ứng quy chuẩn và giảm so với hệ thống nguyên thủy ở một số chế độ vận hành.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn:

Đóng góp về mặt lý luận và học thuật:

  • Đề ra giải pháp thu hồi một phần năng lượng tự cảm phát sinh trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa, tái sử dụng cho giai đoạn đánh lửa điện dung nhằm giảm năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa và giảm lượng khí phát thải.
  • Xây dựng mô hình toán học giải tích mô tả các quá trình biến thiên dòng điện và điện áp ở cả hai giai đoạn đánh lửa điện cảm và điện dung; xác định định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hệ thống gồm tổng trở mạch sơ cấp $R$, hệ số tự cảm sơ cấp $L_1$ và dung lượng tụ điện $C_1$.
  • Thiết lập cơ sở lý thuyết lựa chọn cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp và phương pháp xác định dải dung lượng tụ điện tích lũy năng lượng tự cảm đáp ứng yêu cầu năng lượng đánh lửa cho cả hai giai đoạn trên động cơ nhiều xy-lanh.

Đóng góp về mặt thực tiễn và công nghệ:

  • Nghiên cứu và chế tạo thành công mạch hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm sử dụng bo-bin đơn (COP) ứng dụng trên động cơ 4 xy-lanh TOYOTA 1NZ-FE, tích lũy năng lượng tự cảm trên cụm 3 tụ điện $1\mu\text{F}$ phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện dung.
  • Thiết kế tích hợp mạch tạo tín hiệu IGF tương thích với hệ thống điều khiển ECU nguyên bản của nhà sản xuất, bảo đảm động cơ vận hành ổn định.
  • Chứng minh hệ thống đánh lửa hỗn hợp chế tạo giúp tiết kiệm 25% năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa (năng lượng cho một lần đánh lửa/một chu kỳ làm việc của động cơ), giảm phát thải khí độc hại CO, HC ra môi trường và triệt tiêu xung điện áp tự cảm gây hại cho các thiết bị điện tử trên xe.
Thông số / Chỉ tiêu kỹ thuật Hệ thống đánh lửa nguyên thủy TOYOTA Hệ thống đánh lửa hỗn hợp chế tạo
Loại hình đánh lửa Đánh lửa điện cảm trực tiếp (TI - COP) Hỗn hợp điện cảm - điện dung (TI - CDI)
Nguồn năng lượng chu kỳ 4 Ắc quy (12V) Năng lượng tự cảm tích lũy trên cụm tụ ($3\mu\text{F}$)
Dung lượng tụ tích lũy Không có (hoặc tụ dập xung nhỏ) 3 tụ điện $1\mu\text{F}$ ghép song song (tổng $3\mu\text{F}$)
Mức tiết kiệm năng lượng HTĐL 0% (Mức chuẩn) Tiết kiệm 25% năng lượng/chu kỳ làm việc
Đặc tính công suất ($N_e$) và mô-men ($M_e$) Chuẩn thiết kế nhà sản xuất Tương đương hệ thống nguyên thủy ở các mức tải 20% - 100%
Mạch phản hồi tín hiệu IGF Tích hợp sẵn trong bo-bin nguyên bản Mạch điện tử chế tạo tương thích tín hiệu IGT/IGF của ECU
Tiêu chuẩn kiểm soát khí thải TCVN 6438-2018 Đáp ứng quy chuẩn TCVN 6438-2018 (CO, HC giảm ở một số chế độ)

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Luận án đề xuất áp dụng giải pháp mạch thu hồi năng lượng tự cảm trên các dòng động cơ xăng nhiều xy-lanh nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm tải cho hệ thống cung cấp điện trên ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Phạm vi thực nghiệm của luận án tập trung trên một cấu hình động cơ cụ thể là động cơ xăng 4 kỳ, 4 xy-lanh thẳng hàng TOYOTA 1NZ-FE; cơ chế nạp - xả được cố định theo chu kỳ 3 xy-lanh nạp điện cảm cho 1 xy-lanh xả điện dung.
  • Mạch đánh lửa chế tạo đang ở dạng mô-đun phần cứng thử nghiệm độc lập kết nối với hệ thống dây dẫn nguyên bản của động cơ, chưa được tích hợp nguyên khối vào trong hộp điều khiển động cơ (ECU) hoặc cụm bo-bin thương mại.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng nghiên cứu, tính toán và thiết kế cấu hình mạch đánh lửa hỗn hợp cho các dòng động cơ có số lượng xy-lanh khác (động cơ 3 xy-lanh, 6 xy-lanh, 8 xy-lanh).
  • Nghiên cứu thuật toán điều khiển tự động thay đổi linh hoạt tỷ lệ số chu kỳ đánh lửa điện cảm và điện dung dựa trên trạng thái tải trọng, tốc độ vòng tua và tỷ lệ hòa khí thực tế của động cơ.
  • Nghiên cứu vi mạch hóa (IC chuyên dụng) toàn bộ mạch điều khiển đánh lửa hỗn hợp nhằm thu nhỏ kích thước, nâng cao độ bền cơ học và khả năng chống nhiễu trong điều kiện vận hành khắc nghiệt trên ô tô.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên và sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo mô hình toán học giải tích mạch R-L-C của biến áp đánh lửa, phương pháp mô phỏng số trên Matlab tại Chương 3 và phương pháp luận thiết kế mạch điện tử công suất đánh lửa tại Chương 4.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong lĩnh vực ô tô và động cơ đốt trong: Tham khảo giải pháp mạch thu hồi năng lượng tự cảm, nguyên lý điều khiển SCR xả tụ và kỹ thuật thiết kế mạch mô phỏng xung phản hồi IGF tương thích ECU Toyota.
  • Các nhà nghiên cứu và cơ quan thử nghiệm động cơ: Tham khảo quy trình bố trí thí nghiệm đối chứng trên băng thử dynamometer, phương pháp đo đạc và đánh giá các chỉ tiêu công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và khí xả theo tiêu chuẩn TCVN 6438-2018 tại Chương 5.

Câu hỏi thường gặp

1. Sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp bo-bin xuất hiện khi nào và gây ra những tác hại gì? Sức điện động tự cảm xuất hiện ở cuối giai đoạn ngắt dòng điện sơ cấp của biến áp đánh lửa, có giá trị dao động từ 100V đến 300V. Điện áp này gây nguy cơ đánh thủng các linh kiện bán dẫn đóng ngắt (transistor công suất) hoặc làm cháy rỗ tiếp điểm vít lửa, kéo dài thời gian triệt tiêu dòng sơ cấp làm suy giảm điện áp thứ cấp cực đại, đồng thời phát ra sóng nhiễu điện từ gây ảnh hưởng xấu đến các bộ điều khiển điện tử (ECU) trên xe.

2. Nguyên lý hoạt động phối hợp của hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ 4 xy-lanh trong luận án là gì? Hệ thống kết hợp cả hai kiểu đánh lửa điện cảm và điện dung trên cùng một động cơ 4 xy-lanh. Trong chu kỳ làm việc, 3 xy-lanh đầu tiên hoạt động ở chế độ đánh lửa điện cảm truyền thống; sức điện động tự cảm sinh ra khi ngắt dòng sơ cấp ở 3 xy-lanh này được thu hồi và nạp tích lũy vào cụm 3 tụ điện $1\mu\text{F}$ (tổng $3\mu\text{F}$). Năng lượng tích lũy này sau đó được xả qua linh kiện SCR để phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện dung tại xy-lanh thứ tư mà không cần lấy nguồn bổ sung từ ắc quy.

3. Dung lượng tụ điện được lựa chọn trong nghiên cứu là bao nhiêu và bố trí như thế nào? Nghiên cứu sử dụng 3 tụ điện có điện dung $1\mu\text{F}$ mắc song song với nhau, tạo ra tổng dung lượng tích lũy $3\mu\text{F}$. Dung lượng này được xác định dựa trên mô hình tính toán giải tích và mô phỏng số ở Chương 3, bảo đảm thời gian nạp bão hòa, điện áp sơ cấp cực đại $V_{1m}$ và năng lượng phóng tia lửa điện dung đáp ứng đầy đủ yêu cầu đốt cháy hòa khí trong buồng đốt.

4. Mức tiết kiệm năng lượng 25% của hệ thống đánh lửa hỗn hợp được hiểu như thế nào? Mức tiết kiệm 25% là tỷ lệ năng lượng điện cung cấp cho hệ thống đánh lửa trên một chu kỳ làm việc hoàn chỉnh của động cơ 4 xy-lanh. Do một trong bốn xy-lanh (xy-lanh thứ tư) sử dụng hoàn toàn nguồn năng lượng tự cảm thu hồi từ ba xy-lanh trước đó để đánh lửa theo nguyên lý điện dung, hệ thống giảm được 1/4 (tương ứng 25%) tổng năng lượng điện phải tiêu thụ từ nguồn ắc quy/máy phát điện.

5. Mạch tạo tín hiệu IGF đóng vai trò gì trong hệ thống đánh lửa chế tạo? Tín hiệu IGF (Ignition Feedback) là xung phản hồi xác nhận quá trình đánh lửa đã diễn ra thành công gửi về ECU động cơ Toyota. Nếu ECU không nhận được xung IGF sau khi phát tín hiệu đánh lửa IGT, hệ thống an toàn sẽ tự động ngắt phun xăng để bảo vệ động cơ. Mạch tạo tín hiệu IGF được thiết kế nhằm mô phỏng chính xác dạng xung chuẩn, giúp ECU TOYOTA 1NZ-FE nhận diện hệ thống hoạt động bình thường, không báo lỗi "Check Engine" và duy trì vận hành liên tục.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đỗ Quốc Ấm đã nghiên cứu, mô hình hóa và chế tạo thành công hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm sử dụng bo-bin đơn (COP) trên động cơ 4 xy-lanh TOYOTA 1NZ-FE. Bằng giải pháp thu hồi sức điện động tự cảm 100 - 300V trên cuộn sơ cấp ở 3 chu kỳ đánh lửa điện cảm để nạp vào cụm tụ $3\mu\text{F}$ và cung cấp cho chu kỳ đánh lửa điện dung tiếp theo, hệ thống đã tiết kiệm được 25% năng lượng điện sử dụng cho hệ thống đánh lửa trong một chu kỳ làm việc. Kết quả thực nghiệm trên băng thử dynamometer chứng minh động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp duy trì công suất và mô-men xoắn tương đương hệ thống nguyên bản, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải TCVN 6438-2018 và loại bỏ tác hại của xung điện áp tự cảm lên hệ thống điện ô tô. Công trình có giá trị khoa học và kỹ thuật thực tiễn cao, đóng góp giải pháp nâng cao hiệu quả năng lượng trong ngành kỹ thuật cơ khí động lực.