THIẾT KẾ MẠCH QUẢN LÝ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM KIM PHUN TRÊN Ô TÔ

THIẾT KẾ MẠCH QUẢN LÝ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM KIM PHUN TRÊN Ô TÔ

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 91 THIẾT KẾ MẠCH QUẢN LÝ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM KIM PHUN TRÊN Ô TÔ DESIGN OF INDUCTANCE ENERGY MANAGING CIRCUIT OF FUEL INJECTORS IN AUTOMOBILE Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Đinh Cao Trí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, Việt Nam Ngày soạn nhận 6/10/2020, ngày phản biện đánh giá 20/10/2020, ngày chấp nhận đăng 28/10/2020 TÓM TẮT Khi kim phun hệ thống phun nhiên liệu hoạt động tạo xung tự cảm có biên độ cao xuất khoảng thời gian ngắn sau lần chuyển trạng thái đóng mở Các xung ngược nguyên nhân gây tổn hao nhiệt, lãng phí lượng gây ảnh hưởng đến thiết bị điện tử Việc chế tạo quản lý nguồn lượng điện cảm phân phối ngược lại kim phun giải pháp tiềm để hạn chế tác hại xung phản điện động gây Bài báo trình bày việc thiết kế hệ thống thu hồi lượng điện cảm từ cuộn dây kim phun với mục đích đóng vai trị nguồn cung cấp điện áp thứ hai cho kim phun nhằm giảm tiêu hao nhiên liệu Thực nghiệm tiến hành mơ hình phun xăng đánh lửa để đánh giá khả thu hồi lượng mạch Từ khóa: thu hồi lượng; sức điện động tự cảm; lượng điện cảm; kim phun; mạch quản lý lượng ABSTRACT When the injectors in the fuel injection system are working, there is a back electromotive force (emf) appearred with a high amplitude in a short time after each switch state These reverse pulses are the main cause of heat loss energy wastage damage to electronic devices Building the inductance energy source manager and redistributing to injectors is a potential solution to limit the damage caused by these back-emf pulses Particularly, this paper performs the design of a model that recovers inductance energy from coils with the purpose of acting as a second voltage supply to the injector in order to reduce fuel consumption Then, experiments were carried out on the ignition and fuel injection model to evaluate the effectiveness of suggestion Keywords: energy recovery; back electromotive force; inductance energy; fuel injector; energy managing circuit GIỚI THIỆU Để nâng cao tính kinh tế nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường, hãng sản xuất tơ khơng ngừng tìm kiếm giải pháp, có giải pháp thu hồi lượng mát vơ ích tơ Một số nghiên cứu việc thu hồi lượng thương mại hóa cơng nghệ thu hồi lượng phanh i-ELoop (Intelligent Energy Loop) hãng ô tô Mazda [1] Công nghệ giúp giảm 10% sức tiêu hao nhiên liệu động Hay công nghệ Start/Stop Engine áp Doi: https://doi.org/10.54644/jte.63.2021.76 dụng lần đầu xe Hybird Toyota [2] Ngoài ra, hãng xe Audi thiết kế hệ thống thu hồi lượng từ hệ thống treo dựa nguyên lý biến dao động hệ thống treo dạng thành lượng điện thu vào tích trữ [3] Các nguồn lượng khác thu hồi dạng điện giúp tơ đóng vai trò nguồn trữ lượng riêng để cung cấp cho số hệ thống xe Tùy thuộc vào thời gian thu hồi mật độ lượng tích trữ được, lượng 92 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh dùng để cung cấp cho chấp hành tương ứng Trong báo này, hệ thống thu hồi lượng từ q trình đóng mở kim phun cung cấp ngược lại cho kim phun Thời điểm phun nhiên liệu thông số vận hành quan trọng ảnh hưởng đến trình cháy, định hiệu suất chất lượng sản phẩm cháy động xăng Tuy nhiên, đặc tính cuộn cảm kim phun nên q trình phun nhiên liệu bị kéo dài [4] Ngoài ra, dòng điện qua cuộn dây kim phun bị ngắt đột ngột, sức điện động tự cảm khoảng 300V đến 400V ngược lại cuộn dây Sức điện động tự cảm ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ linh kiện điện tử, sinh nhiệt lãng phí lượng cách vơ ích Do đó, việc thu hồi lượng cảm ứng để nạp điện cho tụ điện sau sử dụng điện áp cao để cải thiện tính hoạt động kim phun cần thiết chia làm giai đoạn Ở đoạn A đầu tiên, điện áp cấp đến kim phun Tại thời điểm transistor công suất điều khiển đánh lửa nối mass làm kín mạch, dịng điện chạy qua kim phun (đoạn B) Ở đoạn C tiếp theo, thời gian transistor cơng suất dẫn dịng điện qua kim phun đạt đến giá trị cực đại, van kim rời khỏi bệ giữ điểm mở lớn Thời điểm ngưng cấp dòng cho kim phun (đoạn D), xuất sức điện động tự cảm tạo từ trường bị ngắt đột ngột Cuối giai đoạn E, transistor công suất ngưng dẫn, mạch hở, kết thúc chu kỳ hoạt động kim phun Để có nhìn khái qt hơn, kim phun mơ hình hóa thành mạch RL gồm thành phần cuộn cảm điện trở, biểu diễn hình phía Trong đó: R tổng điện trở cuộn dây, L độ tự cảm cuộn dây PHÂN TÍCH MƠ HÌNH TỐN CỦA KIM PHUN 2.1 Nguồn lượng cảm kháng kim phun Khi dòng điện qua cuộn dây kim phun tạo lực từ đủ mạnh để thắng sức Hình Mạch RL kim phun căng lò xo, thắng lực trọng trường ty Khi đặt vào cuộn dây hiệu điện kim thắng áp lực nhiên liệu đè lên kim, kim nhích khỏi bệ khoảng 0.1mm phương trình cân điện áp trình nên nhiên liệu phun khỏi kim Khi dòng điện tăng biểu thị (1) [6]: ngắt dòng điện từ trường biến mất, di (1) lúc lực lò xo tác động làm cho ty kim L + iR = U dt xuống kết thúc trình phun [5] Khi điện áp áp dụng cho điện Hình bên biểu diễn chu kỳ từ, phần lượng lưu trữ xung điện kim phun dạng từ trường phần bị tổn thất nhiệt Ri2 [7] Tổng lượng đầu vào là: E = = Hình Xung điện áp kim phun Trong hình 1, thấy chu kỳ hoạt động kim phun = =  Uidt di  ( L dt + iR)idt Li +  Ri dt EL + ER (2) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Trong đó, EL ER lượng tích lũy lượng tiêu tán tổn hao nhiệt gây R − t  U E L = L  (1 − e L ) R  (3)  Ri dt ER = R − t  (1 − e L ) 2 U  dt R   (4)   R     R  R 2 − − t t 2 U  =   t − e L  e L + R   R   − R −2  L L   =  Gọi N số lần phun kim phun cho lượng tích lũy với lượng tổng cộng lần phun Có nghĩa là, N lần chu kỳ phun tạo nguồn lượng đủ để cung cấp cho lần phun N= E EL (5) 2.2 Nguyên lý thu hồi lượng cảm kháng kim phun Năng lượng tích lũy dạng điện áp cao kim phun sau chu kỳ hoạt động thu hồi tụ điện 93 Khi ECU điều khiển transistor dẫn điện, mạch kim phun trở thành mạch kín làm cho kim phun hoạt động Tại thời điểm transistor cơng suất ngắt, lượng từ trường tích lũy cuộn dây chuyển thành lượng tích trữ tụ điện C Li = CU 2 (6) Khi transistor công suất mở, nguồn lượng cảm kháng sinh từ cuộn dây có xu hướng chống lại gia tăng dịng điện cuộn [8] t i(t ) = U (t )dt L  (7) Trong đó: U điện áp ắc quy, L điện cảm cuộn dây Mặc khác, sức phản điện động trình chuyển mạch khóa cơng suất mặt lý thuyết tương tự (7) =L di dt (8) Có thể thấy tụ điện nạp hai nguồn lượng khác Thứ nhất, trạng thái hở mạch, tụ điện nạp nguồn điện xấp xỉ 14.2V từ ắc quy xe trình hoạt động Thứ hai, tụ nạp từ điện áp ngược cuộn cảm kim phun (hình 3) Tuy trình nạp tụ từ sức phản điện động cuộn cảm có biên độ lớn, khoảng từ 100V đến 400V, thời gian ngắn khoảng 10us Công thức (9) mô tả tương đối lượng điện áp nạp vào tụ từ sức phản điện động cảm kháng uc (  ) t   −  ( R L + RC )C  =  − e      (9) Hình Sơ đồ mạch thu hồi lượng điện cảm Với u c () giá trị điện áp nạp vào tụ từ Khi ECU chưa xuất tín hiệu điều khiển transistor ngắt, hở mạch nên kim phun không hoạt động Lúc ắc quy tích điện cho tụ điện với hiệu điện điện áp nguồn xung phản điện động  sau lần chuyển mạch Ngoài ra, RL RC đại diện cho trở kháng nội cuộn cảm điện trở nội tụ điện 94 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Điện áp tổng cộng nạp vào tụ điện tính tổng điện áp từ nguồn ắc quy n lần sức phản điện động lần chuyển mạch cuộn cảm: Khi tụ đầy, Arduino điều khiển khóa T1 T3 đóng, khóa T2 mở, điện áp tụ cung cấp cho kim phun số để thực việc phun nhiên liệu uc (total) = uc (bat) + uc () n Từ sơ đồ nguyên lý trên, mạch nguyên mẫu xây dựng lắp đặt hình bên Tụ điện sử dụng mạch có dung lượng 220uF điện áp làm việc 450V t   −  ( R L + RC )C  = 14 +  − e n     (10) THIẾT KẾ MẠCH VÀ THIẾT LẬP THỬ NGHIỆM 3.1 Thiết kế mạch Một mạch mẫu thiết kế để thử nghiệm trình thu hồi lượng cảm kháng tích hợp điều khiển kim phun Để đơn giản toán, phạm vi nghiên cứu điều khiển đơn lẻ kim phun Mục đích việc thiết kế muốn đánh giá khả hoạt động mạch hệ thống so sánh số kết đo kiểm từ q trình thực nghiệm với cơng thức đề cập phía Hình Mạch thu hồi lượng điều khiển kim phun Thực nghiệm tiến hành mơ hình hệ thống điện điều khiển động Toyota 1TR-FE với đầy đủ phận: đồng hồ trung tâm, cảm biến nhiệt độ động cơ, cảm biến Ne, cảm biến G, họng ga, cảm biến gió dây nhiệt, cảm biến oxi, cảm biến kích nổ thùng xăng + bơm xăng, cụm hiệu chỉnh tốc độ động cơ, công tắc nguồn + rơle, điểm đo, ECU, cụm IC, cụm bobine đánh lửa, cụm kim phun xăng, van VVT-I, giắc chẩn đốn OBD2, thi cơng khung gỗ kích thước: 800 x 1700 (mm) Hình Sơ đồ mạch hệ thống Như trình bày hình phía trên, mạch sử dụng Arduino làm điều khiển Ở trạng thái ban đầu, Arduino điều khiển khóa T1, T3 dẫn T2 đóng, lúc tụ nạp điện điện áp ắc quy điện áp sau lần chuyển mạch kim phun số Mặt khác, cầu phân áp Hình Mơ hình thực nghiệm điện điều khiển đặt vào chân tụ để điều tra điện áp động 1TR-FE Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 3.2 Thiết lập thử nghiệm Trong thử nghiệm này, số vòng quay động cài đặt tốc độ cầm chừng khoảng 1000 RPM, tương ứng với số xung kim phun 500 xung phút Thông số kim phun đo từ thực nghiệm Cụ thể, giá trị điện trở tổng cộng kim phun 15.6Ω, độ tự cảm 0.03H Thay thông số vào (2-4), lượng tiêu thụ kim phun sau lần chuyển mạch là: E = ER + EL = 0.0093 + 0.0527 = 0.062( J ) Như vậy, xung phun tạo nguồn lượng tương đương cho lần phun Với số lượng xung lớn mức lượng tích lũy kim phun tạo khơng nhỏ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ Các kết thực nghiệm trình bày hình 7, 8, đo máy dao động ký Mục đích kiểm tra đánh giá hoạt động kim phun 95 Có thể thấy sức phản điện động ngược kim phun khoảng 120V khoảng thời gian 0.025ms Điện áp nạp cho tụ dựa (9) là: 0.025.10 −3  −  −6 uc = 120 − e (14+ 0.9 ).220.10      = 0.9 (V )   Tụ nạp đầy điện áp tụ với điện áp tụ nạp Ban đầu tụ điện nạp 14V điện áp ắc quy, số xung cần thiết để tụ nạp đầy khoảng 120 xung Cường độ dòng điện để nhấc kim phun mức xấp xỉ 1A khoảng thời gian từ có tín hiệu phun đến nhấc ty kim khoảng 1.7ms Vì vậy, ứng với kim phun có giá trị R = 14Ω L = 0.019H cường độ dịng điện Io đạt giá trị để ty kim nhấc lên thời điểm t = 0.0017s là: R − t U I = (1 − e L ) = 0.69( A) R Để cải thiện thời gian từ có tín hiệu phun đến đạt giá trị I = 0.69 (A), ta sử dụng tụ điện để tăng U, giả sử nguồn điện có điện áp 30V đặt vào kim phun   L    = 0.56 (ms ) t = ln  R  − IR    U   Hình Xung sức điện động tự cảm Hình phía biểu diễn cường độ dòng điện qua kim phun mức điện áp 30V Hình Cường độ dịng điện qua kim phun mức điện áp 14V Hình Cường độ dịng điện qua kim phun mức điện áp 30V 96 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Các hình 10, 11, 12 kết thực thực nghiệm đo mơ hình phun xăng đánh lửa Thiết bị đo sử dụng card giao tiếp NI-6009 phần mềm LabVIEW Quá trình nạp tụ diễn nhanh mức điện áp thấp (9V) Mất khoảng 30s để nạp điện cho tụ từ 0V đến 12V lâu để đến mức 14V tốc độ 1000 RPM Khi điện áp mức 14V, tiến hành xả tụ cho kim phun thứ Điện áp sau xả tụ cấp điện cho kim phun thứ cịn lại 11V Sau đó, ngưng q trình xà tụ, tiếp tục nạp lại cho tụ từ kim phun số KẾT LUẬN Hình 10 Đồ thị biểu diễn trình nạp tụ mức điện áp thấp (9V) Bài báo trình bày nghiên cứu thu hồi sức điện động tự cảm kim phun dạng điện năng, phân tích q trình nạp, xả tụ lần chuyển mạch Một số thực nghiệm tiến hành để thử nghiệm độ nhạy kim phun dựa mức điện áp khác nhau, đồng thời xác định tính khả thi việc thu hồi lượng điện cảm sử dụng nguồn lượng để cấp điện lại cho kim phun chu kỳ Về bản, kết nghiên cứu thiết kế thành cơng mơ hình hệ thống quản lý nguồn lượng điện cảm từ kim phun Tính tốn thực nghiệm cho thấy, lượng tích trữ từ kim phun sử dụng để cung cấp ngược lại cho kim phun Việc quản lý tận dụng nguồn lượng điện cảm góp phần mở xu hướng nghiên cứu liên quan đến vấn đề lượng tái sinh phân phối dòng lượng điện tơ Hình 12 Đồ thị biểu diễn trình xả tụ cấp điện cho kim phun TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] Idaho National Laboratory, Advanced Vehicle Testing Activity, 2015 Cieślik W., Pielecha I., and Borowski P., Effects of Start–Stop System on The Operation of Drive System in Urban Traffic Conditions, Journal of Mechanical and Transport Engineering, Vol 67, No 2, 2015 Xueying L., Yanju J cộng sự, Research Review of a Vehicle Energy-Regenerative Suspension System, Energies, tr 441, 2020 SEBOK M., JURCIK J cộng sự, Diagnostics and Measurement of the Gasoline Engines Injection System, Przegląd Elektrotechniczny, 2015 Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện thân xe, NXB ĐH Quốc Gia TP.HCM, 2004 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [6] [7] [8] 97 Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động cơ, NXB ĐH Quốc Gia TP.HCM, 2013 Więcławski K, Mączak J, Szczurowski K Diagnostyka, Electric Current Characteristics of the Injector Generating Fuel Does, Diagnostyna, Vol 19, No 4, 2018 Więcławski, Krzysztof & Mączak, Jędrzej & Szczurowski, Krzysztof, Electric Current Waveform of the Injector as a Source of Diagnostic Information, Sensors 20 4151 10.3390/s20154151, 2020 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Phan Nguyễn Quí Tâm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Email: tampnq@hcmute.edu.vn