CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, hỗn hợp được hình thành bên ngoài động cơ và được đốt cháy bằng tia lửa điện của bu-gi. Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến dòng điện có điện áp thấp trên ô tô (12V hay 24V) thành các xung điện thế cao (từ 15.000V), các xung này sẽ được phân bố đến các bugi trên các xy-lanh theo đúng thứ tự làm việc và đúng thời điểm để đốt cháy hòa khí trong lòng xy-lanh. Với các công dụng trên, hệ thống đánh lửa có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất làm việc, giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường trên động cơ xăng. Dựa vào cách tích lũy năng lượng, hệ thống đánh lửa trên ô tô được chia làm hai loại: - Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI- Transistorized ignition system).
- Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI - Capacitor discharged ignition system). Đối với hệ thống đánh lửa điện cảm, năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp bobine được viết dưới dạng: 𝑊 = (1.1) Đối với hệ thống đánh lửa điện dung, năng lượng tích lũy trên tụ điện được viết dưới dạng: 𝑊 = (1.2) Trong đó: - WL: Năng lượng tích luỹ trên cuộn sơ cấp (J). - WC: Năng lượng của thành phần tia lửa có tính điện dung (J). - C: Điện dung của tụ điện (F).
- Ung: Điện áp nạp trên tụ điện (V). - L1: Độ tự cảm của mạch sơ cấp (H). - Ing: Cường độ dòng điện qua mạch sơ cấp (A). Lợi thế quan trọng nhất của hệ thống đánh lửa điện cảm là có thể tạo ra được thời gian tồn tại tia lửa điện khá dài.
Đó là một trong những yếu tố quyết định để đảm bảo đốt cháy hoàn toàn hoà khí trong xy lanh. Điều này có được là vì lúc ban đầu, năng lượng chỉ cần được cung cấp đủ để vượt qua khoảng cách khe hở bugi, phần còn lại sẽ được sử dụng để duy trì tia lửa. Đối với hệ thống đánh lửa điện dung thì nó sẽ xả gần như tất cả năng lượng của mình ngay lập tức, do đó sẽ bị giảm đáng kể khả năng duy trì tia lửa điện. Tuy nhiên do cuộn sơ cấp có độ tự cảm nên sự tăng trưởng dòng điện trên cuộn sơ cấp sẽ diễn ra tương đối chậm.
Vì vậy, khi động cơ quay ở tốc độ cao, dòng điện tăng trưởng chưa đến được giá trị cần thiết thì đã bị ngắt, do đó năng lượng tích trữ trên cuộn sơ cấp chưa đủ, và kết quả là năng lượng đánh lửa không cao. Trong khi đó, ở tốc độ thấp, dòng điện tồn tại khá lâu nên sẽ làm nóng cuộn sơ cấp, tiêu tốn nhiều năng lượng accu và làm bobine nhanh hỏng. Với lợi thế điện áp thứ cấp tạo ra cao, tia lửa điện dung có thể dễ dàng bén cháy lượng hoà khí trong buồng đốt động cơ bị dư thừa dầu bôi trơn, hỗn hợp hoà khí quá giàu hoặc nhiệt độ buồng đốt còn thấp. Ngoài ra, điện áp cao có thể giúp tránh rò rỉ năng lượng trên chất cách điện bugi và các điện cực gây ra bởi sự dẫn điện của các chất bẩn.
Một ưu điểm quan trọng nữa là thời nạp xả của tụ điện rất ngắn, do đó nó vẫn đảm bảo được năng lượng đầu ra đủ cao khi động cơ hoạt động ở số vòng quay lớn. Điều này đặt biệt có lợi khi dùng cho động cơ cao tốc. Tuy nhiên, vì sự phóng điện diễn ra quá nhanh, năng lượng trên tụ sẽ nhanh chóng cạn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp 13 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Đồ án tốt nghiệp Cao học kiệt, vì vậy thời gian tồn tại tia lửa điện sẽ ngắn hơn so với tia lửa điện của hệ thống đánh lửa điện cảm. Do đó, nó sẽ khó lòng đốt cháy hoàn toàn lượng hoà khí trong một số trường hợp đặc biệt của động cơ.
Ví dụ: hoà khí nghèo, điều này dẫn đến xy lanh bị bỏ lửa (misfire) và làm khí thải bị ô nhiễm. Chúng ta biết rằng trên động cơ đốt trong đặc biệt là động cơ ô tô sẽ hoạt động trong những chế độ làm việc có tính chất rất khác nhau. Nhược điểm của một loại hệ thống đánh lửa bất kỳ sẽ chỉ ảnh hưởng xấu đến một số miền làm việc nào đó chứ không ảnh hưởng đến toàn bộ miền làm việc của động cơ. Hơn thế nữa, đối với hai loại hệ thống đánh lửa điện cảm và điện dung thì ưu điểm của hệ thống này gần như là nhựơc điểm của hệ thống kia và ngược lại.
Vì vậy, nếu chúng ta thiết kế được một hệ thống bao gồm 2 kiểu đánh lửa riêng biệt cho động cơ với một bộ điều khiển được lập trình sẵn, ở vùng làm việc nào mà kiểu đánh lửa điện cảm phát huy ưu điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động, và tương tự ở vùng nào mà kiểu đánh lửa điện dung phát huy ưu điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động. Thiết nghĩ đây là cách tối ưu nhất cho một hệ thống đánh lửa trên ô tô, và đó cũng là hướng đi được tập trung nghiên cứu trong đề tài này.2 CÁC KẾT QUẢ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ 1.1 Hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung và điện cảm Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung và điện cảm [9]. Gerry[9] đã thiết kế hệ thống này bao gồm một bộ biến áp đánh lửa có cuộn sơ cấp được mắc song song với một tụ điện và nó được cấp xung điện áp xoay chiều nhiều lần trong suốt chu kỳ đánh lửa. Việc cấp xung điện áp xoay chiều nhiều lần trong một chu kỳ đánh lửa sẽ giúp cho tụ điện phóng và nạp nhiều lần qua cuộn sơ cấp và do đó nó sẽ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp 14 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Đồ án tốt nghiệp Cao học tạo ra nhiều xung điện áp cao thế ở cuộn thứ cấp trong một chu kỳ đánh lửa.
Một diode, tụ điện hoặc cả hai sẽ được mắc nối tiếp với tụ điện chính và cả hai sẽ được mắc song song với cuộn sơ cấp bobine. Điều này sẽ làm tăng đáng kể vận tốc cung cấp tia lửa điện thông qua IC đánh lửa. Tia lửa điện sinh ra như vậy sẽ có nhiều phần, trong đó có những phần tử có khả năng toả nhiệt cực lớn xuất hiện khi dòng diện đi xuyên qua lớp tiếp giáp của transistor công suất trong IC đánh lửa.2 Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian phóng điện bằng hiệu ứng điện cảm.2: Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian phóng điện bằng hiệu ứng điện cảm[6]. Tác giả Shingo Morita, Takafumi Narishige và Mitsuru Koiwa[6] đã thiết kế các bộ phận chính trong hệ thống này bao gồm: cuộn dây tăng thế 2, transistor 22 để điều khiển tạo ra điện áp tăng thế, mạch điện 15A để tạo ra tín hiệu điều khiển transistor 22 tuỳ thuộc vào thời điểm đánh lửa.
Tụ điện 7 và 8 sẽ nạp điện áp từ cuộn tăng thế vào. Khi có tín hiệu đánh lửa, Thyristor 13 sẽ khép kín mạch để tụ 7 phóng dòng điện qua cuộn sơ cấp bobine để tạo ra tia lửa điện đầu tiên ở bugi. Mạch điện thứ 2 cũng được hình thành với tụ điện 8, cuộn cảm 9 và cuộn sơ cấp bobine. Tuy nhiên, nhờ vào tính cảm kháng trong cuộn cảm 9, dòng điện do tụ 8 phóng qua cuộn sơ cấp sẽ không tăng trưởng nhanh nhưng nó có khả năng duy trì thời gian phóng điện rất dài.
Với kết cấu này, ta có thể lợi dụng được tia lửa điện dung có điện áp cao ban đầu giúp dễ dàng ion hoá khối hoà khí ở điện cực bugi nhưng cũng đảm bảo được thời gian tồn tại tia lửa điện đủ dài để hoà khí có thể cháy sạch. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp 15 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Đồ án tốt nghiệp Cao học 1.3 Hệ thống đánh lửa điện cảm cho động cơ đốt trong Hình 1.3: Hệ thống đánh lửa điện cảm trên động cơ đốt trong[7]. Tác giả Gianni Regazzi, Funo Di Argelato[7] đã thiết kế hệ thống đánh lửa này bao gồm một rotor, phần ứng và biến áp đánh lửa. Trên cuộn dây của biến áp đánh lửa, một điện áp xoay chiều tự cảm được sinh ra đều đặn theo chu kỳ quay của rotor.
Để điều khiển điện áp đánh lửa, một transistor được kích hoạt khi gặp xung bán kỳ dương, nó sẽ điều khiển ngắt dòng sơ cấp và trên cuộn thứ cấp sẽ cảm ứng một điện áp cao áp để phóng qua khe hở điện cực bugi. Một transistor điều khiển thứ hai sẽ được nối nối tiếp với điện trở hạn dòng, và ngõ ra của mạch so sánh điện áp sẽ kết nối với mạch định thời. Mạch định thời này sẽ kích hoạt việc cho phép đánh lửa trong một khoảng thời gian đã định trước, điều này sẽ ngăn chặn được sự đánh lửa xảy ra khi động cơ quay chậm hơn số vòng quay tối thiểu nào đó ở cả chiều quay thuận và ngịch.4 Hệ thống đánh lửa điện cảm năng lượng cao Hình 1.4: Hệ thống đánh lửa điện cảm năng lượng cao[10]. Thakore[10] đã thiết kế hệ thống này được cải thiện nhằm nâng cao năng lượng sinh ra khi điện áp đầu vào thấp.
Mấu chốt vấn đề là mạch điều khiển được lắp hai transistor song song có cùng hệ số khuếch đại nhằm cải thiện khả năng dẫn dòng sơ cấp. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp 16 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Đồ án tốt nghiệp Cao học 1.5 Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa Hình 1.5: Hình hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa điện[8]. Lepley, Girard[8] đã thiết kế hệ thống này bao gồm một biến áp đệm, tụ điện C1, biến áp đánh lửa, hai công tắc S1 và S2. Tụ điện C1 sẽ được mắc nối tiếp với công tắc S1 và cuộn sơ cấp bobine.
Công tắc S2 sẽ được mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp của biến áp đệm. Công tắc S1 và S2 sẽ được điều khiển thông qua bộ điều khiển (control unit).