MỞ ĐẦU 1. Tổng quan: 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. Các xung này sẽ được phân bố đến các bu-gi 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 [1, 2, 3]. 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 bo-bine 2 𝐿1 𝐼𝑛𝑔 được viết dưới dạng: 𝑊𝐿 = [1, 2] 2 Ở hệ thống đánh lửa điện dung, năng lượng tích lũy trên tụ điện được viết dưới dạng: 2 𝐶𝑈𝑛𝑔 𝑊𝑐 = [1, 2] 2 Trong đó: - WL: Năng lượng tích luỹ trên cuộn sơ cấp (J). - WC: Năng lượng tich lũy trên tụ điện (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 và đó là một trong những yếu tố quan trọng để có thể đảm bảo đốt cháy hoàn toàn hoà khí trong xy lanh.
Ban đầu, năng lượng chỉ cần 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 11 Luan van hệ thống đánh lửa điện dung, gần như tất cả năng lượng của mình sẽ được xả gần như lập tức, do đó sẽ bị giảm đáng kể khả năng duy trì tia lửa điện [1, 2, 3]. 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 hoạt động ở số vòng quay cao, dòng điện tăng trưởng chưa đạt đến giá trị cần thiết thì đã bị ngắt, năng lượng tích trữ trên cuộn sơ cấp chưa đủ lớn 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 bo-bin dễ hỏng. Với lợi thế điện áp thứ cấp tạo ra cao, tia lửa điện dung có thể dễ dàng đốt cháy lượng hoà khí trong buồng đốt khi động cơ bị lọt 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 bu-gi và các điện cực gây ra bởi sự dẫn điện của các chất bẩn. Một ưu điểm quan trọng nữa là thời gian nạp và xả của tụ điện rất ngắn.
Do đó, nó vẫn đảm bảo được năng lượng đầu ra đủ lớn khi động cơ hoạt động ở số vòng quay cao, điều này đặt biệt có lợi khi dùng trên động cơ cao tốc. Tuy nhiên, vì sự phóng điện diễn ra quá nhanh, năng lượng trên tụ sẽ nhanh chóng cạn 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 đốt cháy hoàn toàn lượng hoà khí trong một số trường hợp đặc biệt của động cơ như: hoà khí nghèo, dẫn đến xy lanh bị bỏ lửa (misfire) và làm khí thải bị ô nhiễm. Tuy có sự khác biệt về cách thức tích lũy năng lượng và các đặc điểm nêu trên, hai hệ thống đánh lửa trên đều giống nhau về cách tạo ra điện thế cao áp.
Để tạo ra xung điện cao áp, cả hai hệ thống trên đều phải dùng biến áp đánh lửa (bo-bin). Kết cấu của biến áp đánh lửa gồm hai phần chính: cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Khi làm việc, trên cuộn sơ cấp của bo-bin xuất hiện sức điện động tự cảm e1=W1(dΦ/dt) (từ 100-300V) [1, 4]. Điện áp tự cảm này là nguyên nhân chính gây hư hỏng các thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp (vít lửa hay transistor công suất) làm tiếp điểm bị cháy, rỗ hay làm hỏng transistor công suất lẫn các linh kiện điện tử khác và làm kéo dài thời gian triệt tiêu dòng điện qua cuộn sơ cấp của bo- bin.
Qua đó, làm giảm giá trị cực đại của điện áp thứ cấp. Ngoài ra, sự phóng điện này cũng 12 Luan van gây nhiễu làm ảnh hưởng tiêu cực đến các thiết bị điện và điện tử khác trên ô tô. Để bảo vệ các thiết bị đóng ngắt, người ta thường dùng các biện pháp như: mắc tụ điện song song với tiếp điểm, dùng diode zener mắc song song với transistor, hoặc các biện pháp bảo vệ khác. Với các biện pháp này, thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp được bảo vệ, nhưng lại không tận dụng được phần năng lượng tự cảm sinh ra từ cuộn dây sơ cấp.
Để tận dụng phần năng lượng “thừa” này, ta có thể tích lũy sức điện động tự cảm nêu trên vào một tụ điện và sử dụng phần năng lượng này cho các lần đánh lửa tiếp theo. Như vậy, ta vừa đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng đánh lửa, vừa bảo vệ được cho thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp khỏi các tác hại của sức điện động tự cảm trên, nâng cao được chất lượng đánh lửa trên hệ thống và chống nhiễu cho các thiết bị điện khác trên ô tô. Đề tài “Ứng dụng phương pháp đánh lửa hybrid trên động cơ bốn xy lanh”, nhằm thực hiện các nghiên cứu về hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ bốn xy lanh và đánh giá hiệu quả thực tế của nghiên cứu đề xuất. Việc tiết kiệm được năng lượng dùng cho hệ thống đánh lửa bằng cách sử dụng đồng thời hai biện pháp tích lũy năng lượng (điện cảm và điện dung) nêu trên sẽ dẫn đến tiết kiệm được năng lượng sử dụng trên động cơ, giảm lượng khí thải thoát ra môi trường.
Mặc dù năng lượng phục vụ cho một lần đánh lửa không lớn (khoảng 30mJ). Tuy nhiên, năng lượng sử dụng trên hệ thống đánh lửa được lấy từ accu, với rất nhiều tổn thất trên quá trình tích lũy năng lượng (hiệu suất làm việc của động cơ xăng, hiệu suất làm việc của máy phát điện, hiệu suất làm việc của bộ truyền đai, hiệu quả tích lũy của accu, các mất mát khác) và với số lượng ô tô sử dụng động cơ xăng lên đến vài trăm triệu chiếc trên thế giới, việc tích lũy năng lượng tự cảm này có ý nghĩa rất lớn. Thêm vào đó, việc tận dụng lại lượng năng lượng “thừa” này sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và giảm hư hỏng cho các các thiết bị điện khác trên ô tô. Tình hình nghiên cứu đề tài: 2.1 Các kết quả ngoài nước 2.1 Hệ thống đánh lửa điện cảm Hệ thống đánh lửa điện cảm được sử dụng phổ biến nhất trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, được phát minh bởi Kettering vào năm 1908 [5].
Hiện nay, với nhiều biến thể khác như: hệ thống đánh lửa bán dẫn (transistorized), hệ thống đánh lửa theo 13 Luan van chương trình (programmed ignition) hệ thống đánh lửa trực tiếp (direct ignition), hệ thống đánh lửa điện cảm vẫn được sử dụng rộng rãi trên ôtô [6]. b) a) b) Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa điện cảm (a), điện dung (b) Ở hệ thống đánh lửa điện cảm, năng lượng trên hệ thống được tích lũy dưới dạng năng lượng điện cảm. Hoạt động của hệ thống như sau, khi trục khuỷu quay tiếp điểm K (công tắc hay transitor) được điều khiển đóng ngắt. Hệ thống thực hiện hai quá trình như sau Quá trình tích lũy năng lượng: Khi tiếp điểm đóng K, dòng điện từ + accu qua cuộn dây sơ cấp sẽ tăng trưởng dạng hàm mũ từ không cho tới giá trị nhất định i [1] 𝑈 −𝑡 𝑖 = (1 − 𝑒 𝜏 ) (1-1) 𝑅 L Trong đó: U: điện thế nguồn, t: thời gian dòng điện qua cuộn sơ cấp, Ʈ= : hằng số R của hệ thống, L: hệ số tự cảm, R: điện trở mạch sơ cấp.
Năng lượng tích lũy trong hệ thống khi tiếp điểm ngắt 𝐿𝑖 2 𝑄= (1-2) 2 i: cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp tại thời điểm tiếp điểm ngắt. Quá trình ngắt dòng sơ cấp Khi tiếp điểm K ngắt dòng điện sơ cấp và từ thông do nó sinh ra mất đi đột ngột, trên cuộn thứ cấp của biến áp đánh lửa sẽ sinh ra một hiệu điện thế vào khoảng 15- 40KV [1], tạo ra tia lửa điện trên hai điện cực của bu-gi nhằm đốt cháy hỗn hợp trong lòng xy-lanh. • Ưu nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện cảm Ưu điểm 14 Luan van • Cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy. • Thời gian phóng điện dài (1-2ms) [1] Nhược điểm • Thời gian tích lũy năng lượng dài • Thời gian phóng điện phụ thuộc vào năng lượng tích lũy.
Điện áp thứ cấp tăng trưởng chậm 300 ~ 500 V / ms [1, 7].2 Hệ thống đánh lửa điện dung Đánh lửa điện dung (CDI) hoặc đánh lửa thyristor được sử dụng rộng rãi trên xe gắn máy, các loại động cơ nhỏ và một số ô tô khác. Ban đầu nó được phát triển để khắc phục các nhược điểm thời gian tích lũy năng lượng dài trên hệ thống đánh lửa điện cảm, điều này làm cho chúng thích hợp hơn trên động cơ tốc độ cao [1, 7, 8]. Đặc trưng chính của hệ thống này là tích lũy năng lượng trên một tụ điện và giải phóng dòng năng lượng này trong thời gian rất ngắn (vào khoảng 0,1-0,4 ms) [1] nhằm tạo tia lửa điện trên bu-gi. Với bằng sáng chế mang số hiệu #60925 tại Mỹ được đăng ký vào ngày 17-2- 1897, Nikola Tesla được xem là người sáng chế ra hệ thống đánh lửa điện dung.
Hệ thống này được ứng dụng đầu tiên trên ô tô Ford model K vào năm 1906 [7, 9] • Nguyên lý làm việc Trên hệ thống CDI, tụ được tích lũy một điện áp cao từ một mạch nạp, ngay khi tụ ngưng nạp. Năng lượng từ tụ sẽ phóng qua cuộn dây nhằm tạo tia lửa trên bu-gi.