Hcmute nghiên cứu và đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống đánh lửa hybrid

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID MÃ SỐ: T2018 – 22TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2019 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID Mã số: T2018 – 22TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng TP HCM, 04/2019 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID Mã số: T2018 – 22TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Đỗ Văn Dũng Thành viên đề tài: GVC.ThS Đỗ Quốc Ấm ThS Nguyễn Tấn Ngọc TP HCM, 04/2019 Luan van DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TT Họ tên Đỗ Văn Dũng Đơn vị công tác Nội dung nghiên cứu cụ thể lĩnh vực chuyên môn giao Chữ ký Trường ĐHSPKT.TPHCM -Nghiên cứu lý thuyết đánh lửa động ô tô -Xây dựng mô hình hệ thống Đỗ Quốc Ấm Trường -Xây dựng phương trình ĐHSPKT.TPHCM tốn học mơ tả hoạt động hệ thống Nguyễn Tấn Trường - Mô đánh giá ảnh Ngọc ĐHSPKT.TPHCM hưởng thông số tác động vào trình làm việc hệ thống - Thực nghiệm đánh giá kết thực nghiệm ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị ngồi nước Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ tên người đại diện đơn vị Luan van MỤC LỤC Trang tựa Trang Danh sách thành viên tham gia đề tài đơn vị phối hợp Mục lục Danh sách chữ viết tắt Danh sách bảng Thông tin kết nghiên cứu tiếng Việt Information on research results Mở đầu Chương 1: Cơ sở lý thuyết 22 Chương 2: Mơ hình đánh lửa Hybrid 30 Chương 3: Các mơ hệ thống đánh lửa Hybrid 36 Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết 57 Chương 5: Kết luận hướng phát triển 87 Tài liệu tham khảo 92 Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ TRANG SCR: Silicon Controlled Rectifier 30 ECU: Electronic Control Unit 57 RON: Research On Motor 58 ppm: parts per million 58 AVL: Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List 60 Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Ảnh hưởng điện dung C đến điện trở tương đương ESR lượng tổn hao tụ rò điện t ng = ms 54 Bảng 3.2: Năng lượng tích lũy tụ với giá trị C từ 0,22 µF - 4µF tính đến tổn thất lượng 55 Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật động Toyota 1NZ-FE 57 Bảng 0.1: Các thông số đầu vào thử nghiệm hai hệ thống đánh lửa 58 Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật thiết bị Dynamometer 62 Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật thiết bị FP7000 Classic 64 Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật thiết bị đo khí xả HG-520 65 Bảng 4.6: Độ chênh lệch giá trị công suất động (%) 80 Bảng 4.7: Độ chênh lệch giá trị moment động (%) 80 Bảng 4.8: Độ chênh lệch giá trị suất tiêu hao nhiên liệu có ích (%) 81 Bảng 4.9: Tổng lượng tiêu hao hệ thống điện cảm với thông số: R1=1.12 (); L1 = 1.25 (mH); U = 13.8 (V) 83 Bảng 4.10: Tổng lượng tiết kiệm vùng tốc độ động 83 Bảng 4.11: Tổng lượng tiết kiệm tính đến tổn hao truyền lượng 84 Bảng 4.12: Lượng nhiên liệu tiết kiệm sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid 85 Bảng 4.13: Tiêu chuẩn khí thải cho động xăng (TCVN 6438:2001) 85 Bảng 4.14: Chất lượng khí thải động sử dụng hai hệ thống đánh lửa 86 Bảng 5.1: Tổng lượng tiết kiệm tính đến hiệu suất qua đường truyền lượng 89 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp HCM, ngày 02 tháng 04 năm 2019 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu đánh giá hiệu làm việc hệ thống đánh lửa Hybrid - Mã số: T2018 – 22TĐ - Chủ nhiệm: PGS.TS Đỗ Văn Dũng - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: 12 tháng Mục tiêu: Nghiên cứu xây dựng mơ hình đánh lửa hỗn hợp điện dung điện cảm với thơng số thích hợp nhằm tận dụng lượng tự cảm “thừa” hệ thống đánh lửa Đồng thời, tiến hành thực nghiệm nhằm đánh giá hiệu làm việc hệ thống động thực tế Tính sáng tạo: - Nghiên cứu lý thuyết đánh lửa Hybrid - Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống đánh lửa Hybrid - Thiết lập phương trình tốn học mơ tả trình phát sinh sức điện động tự cảm - Tính tốn xác định giá trị thơng số hệ thống - Xây dựng mơ hình thực có khả tích lũy lượng tự cảm - Thực nghiệm đánh giá kết thực nghiệm Kết nghiên cứu: - Xây dựng mơ hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm có khả tích lũy lượng tự cảm sử dụng cho lần đánh lửa sau - Đánh giá lượng tích lũy hệ thống đánh lửa Hybrid - Đánh giá hiệu làm việc hệ thống đánh lửa Hybrid Sản phẩm: Sản phẩm khoa học: Luan van - Số báo có danh mục Hội đồng Chức danh giáo sư nhà nước (Ghi rõ tên tạp chí): 01, Effects of Capacitor on the Hybrid Ignition System, Material, Machines and Methods for Sustainable Development Volume 889 Sản phẩm đào tạo (cao học, nghiên cứu sinh): - Sản phẩm đào tạo nghiên cứu sinh: số lượng 1, Đỗ Quốc Ấm Sản phẩm ứng dụng: - Mơ hình đánh lửa lai hỗn hợp điện dung điện cảm có khả tích lũy lượng Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Phương thức chuyển giao Thông qua trung tâm chuyển giao công nghệ trường ĐHSPKTTPHCM - Địa ứng dụng Các trường đại học, cao đẳng trung học chuyên nghiệp có chuyên ngành khí động lực Các sở dạy nghề Trưởng Đơn vị (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) Luan van INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: RESEARCH AND ESTIMATE THE EFFECTIVE OF THE HYBRID IGNITION SYSTEM Code number: T2018 – 22TĐ Coordinator: Assoc.Prof Do Van Dug Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education Duration: from 2018 to 2019 Objective(s): - Investigate the parameters of the Hybrid ignition system so that the accumulated energy is maximum - Design a Hybrid ignition model with the matching parameters - Estimate the model with experiments Creativeness and innovativeness: - Study on the Hybrid ignition system - Building the self-induced emf equations in working stages - Building the matching parameters and experiment model - Estimate the accumulated energy and the effective of the Hybrid ignition system Research results: - Building the Hybrid ignition system, which is using the accumulated energy for ignition process in one cylinder - Estimate the accumulated energy in the Hybrid ignition system - Estimate the efficiency of the Hybrid ignition system Products: - Paper: 1, Effects of Capacitor on the Hybrid Ignition System, Material, Machines and Methods for Sustainable Development Volume 889 - Doctor’s thesis: 01 - The Hybrid ignition system model Luan van  Chưa đánh giá ảnh hưởng thông số áp suất buồng cháy, khe hở bu-gi, thời gian xuất tia lửa bu-gi, đến trình cháy trình đánh lửa điện dung hệ thống đánh lửa Hybrid 5.3 Kết luận đề xuất Hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung - điện cảm đề xuất có khả thu hồi sức điện động tự cảm sinh cuộn sơ cấp (chế độ đánh lửa điện cảm) tận dụng lượng cho lần đánh lửa sau (chế độ đánh lửa điện dung) Tụ điện hệ thống có cơng dụng bảo vệ cho transistor công suất thu hồi lượng tự cảm “thừa” hệ thống Với mơ hình đánh lửa lai hỗn hợp điện dung - điện cảm trình bày, việc điều khiển số lần nạp tụ, số tụ tham gia q trình tích lũy lượng tự cảm, chế độ đánh lửa hồn tồn điều chỉnh được, điều làm tăng tính thích ứng với động khác Mơ hình đánh lửa khảo sát chứng minh việc sử dụng nhiều tụ điện để tích trữ sức điện động tự cảm đảm bảo tích trữ đủ lượng cho lần đánh lửa sau Với mơ hình đánh lửa sử dụng bốn bo-bin, ba lần đánh lửa điện cảm có lần đánh lửa điện dung Với mơ hình đánh lửa sử dụng sáu bo-bin, năm lần đánh lửa điện cảm có lần đánh lửa điện dung Như ta tiết kiệm 1/4 lượng đánh lửa mô hình đánh lửa sử dụng bốn bo-bin 1/6 lượng đánh lửa mơ hình đánh lửa sử dụng sáu bo-bin Như ta biết, hệ thống đánh lửa sử dụng lượng accu cung cấp Tuy nhiên, q trình chuyển hóa lượng tích lũy lượng từ nhiên liệu sang động cơ, máy phát, accu hệ thống đánh lửa tiến hành qua nhiều giai đoạn giai đoạn có tổn thất định (ví dụ hiệu suất động từ 35% đến 40%) Với số lượng hàng trăm triệu ô tô sử dụng giới, việc tiết kiệm lượng sử dụng hệ thống đánh lửa có ý nghĩa to lớn việc giảm tiêu hao nguồn nhiên liệu hóa thạch lượng phát thải ô tô Đề xuất:  Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng thông số áp suất buồng cháy, khe hở bu-gi, thời gian xuất tia lửa bu-gi đến trình cháy hệ thống đánh lửa điện dung 90 Luan van  Thực nghiệm thực tế động xi-lanh để tăng khả tiết kiệm lượng sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid, bô-bin điệm cảm cung cấp lượng cho bô-bin điện dung, lý thuyết tiết kiệm 1/3 ~ 33.33% lượng phục vụ cho hệ thống đánh lửa  Thực nghiệm ảnh hưởng loại nhiên liệu khác đến hie76u5 làm việc hệ thống đánh lửa Hybrid 91 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động cơ, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2013 [2] Robert Bosch GmBh, Automotive Electric/Electronic System, Dipl.Ing (FH) Horst Bauer, 1995 [3] Tom Denton, Automobile Mechanical and Electrical Systems, Elsevier Ltd, 2011 [4] ThS Đỗ Quốc Ấm, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, ThS Phan Nguyễn Q Tâm, KS Lê Khánh Tân, Tính tốn sức điện động tự cảm hệ thống đánh lửa lai, tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 32, 2015 [5] ThS Đỗ Quốc Ấm, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, KS Lê Khánh Tân, Nghiên cứu mơ hình đánh lửa Hybrid , Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ IV, 2015 [6] Lâm Bá Nha, Nguyễn Khắc Bằng Ngô Thanh Hà, Nghiên cứu chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực tiếp , Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2009 [7] TS Lê Văn Tụy, Nguyễn Viết Thuận , Thiết kế mạch điều khiển góc đánh lửa sớm cho động M161, Mercedes-Benz 140, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2012 [8] GVC.ThS Nguyễn Văn Thình, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, ThS Đỗ Quốc Ấm, ThS Nguyễn Văn Long Giang, Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm hệ thống đánh lửa sử dụng phổ biến ô tô Việt Nam khả lắp lẫn , Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM [9] Charles F Kettering, Ignition apparatus for explosion-motors, US Patent No 1037491, 1912 [10] Nikola Tesla, Electrical igniter for gas engine, US Patent No 609250, 1898 [11] Martin E.Gerry, Inductive-capacitive cyclic charge-discharge ignition system, US Patent No 4288723, 1981 92 Luan van [12] Michael J French Matthew Joseph Edwards, Hybrid ignition circuit for an internal combustion engine, US Patent 5806504, 1998 [13] Martin E.Gerry, Inductive-capacitive modulated ignition system, US Patent 4291661, 1981 [14] Sen-Ben Liao, Peter Dourmashkin, John Belcher, Introduction to Electricity and Magnetism: MIT 8.02 Course Notes, 2011 [15] Relative Permeability, Internet http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/ferro.html#c5 [16] Permeability (electromagnetism), Internet https://en.wikipedia.org/wiki/Permeability_(electromagnetism) [17] Tom Denton, Advanced automotive fault diagnosis, Elsevier, 2006 [18] Charging a Capacitor, Internet http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/capchg.html [19] Capacitor Leakage Measurements Using a Model 6517A Electrometer, Keithley Instruments Inc., Ohio, 2001 http://www.tek.com/sites/tek.com/files/media/document/resources/Capacitor_Leaka ge_AN.pdf, 20/06/2016 [20] Richard Fiore, ESR losses in ceramic capacitors, Anerican Technical Ceramics Corp., New York, 2001 http://vmw.atceramics.com/Userfiles/esrlosses_appnote.pdf, 22/06/2016 [21] Equivalent Series Resistance (ESR) of Capacitors, QuadTech Inc., California, 2007 http://my.ece.ucsb.edu/York/Bobsclass/194/References/General/ESR%20of%20Cap acitors.pdf, 22/06/2016 [22] Dissipation factor of ceramic capacitors; a primer, Metuchen Capacitors, Inc., New York http://www.metcaps.com/mci%20web%20docs/DISSIPATION%20FACTOR%20O F%20CERAMIC%20CAPACITORS.pdf, 21/06/2016 [23] Dissipation factor, Internet 93 Luan van https://en.wikipedia.org/wiki/Dissipation_factor, 20/06/2016 [24] John B Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company,1998 [25] Terrence Lyle Williamson, Ignition system requirements and their application to the design of capacitor discharge ignition system, Naval postgraduate school Monterey, California, 1971 [26] Dipl.Ing (FH) Horst Bauer, Automotive Electric/Electronic System, Robert Bosch GmBh,1995 [27] Konrad Reif Ed, Gasoline Engine Management, Springer Vieweg, 2015 [28] ThS Nguyễn Văn Trạng, Động đốt 1, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, 2005 [29] Nguyễn Tất Tiến Nguyễn Văn Bình, Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong, NXB Giáo Dục, 1994 [30] Jürgen Warnatz, Robert W Dibble, U Maas, Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modelling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation, Springer, 1996 [31] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2013 [32] Robert Bosch GmbH, Bosch Automotive Handbook th Edition, BentleyPublishers, 2011 [33] M F Cowlishaw, The Characteristics and Use of Lead-Acid Cap Lamps, Trans British Cave Research Association, 1974 94 Luan van PHỤ LỤC Bài báo: Effects of Capacitor on the Hybrid Ignition System Tác giả: Do Quoc Am, Do Van Dung, Nguyen Tan Ngoc Tạp chí: Applied Mechanics and Materials, Vol 889, 03/2019, Pages: 388-395, ISSN: 1662-7482, https://www.scientific.net/AMM.889.388 (online) Luan van Applied Mechanics and Materials ISSN: 1662-7482, Vol 889, pp 388-395 doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.889.388 © 2019 Trans Tech Publications, Switzerland Submitted: 2018-03-20 Revised: 2018-12-29 Accepted: 2018-12-29 Online: 2019-03-06 Effects of Capacitor on the Hybrid Ignition System Do Quoc Am1,a*, Do Van Dung2,b, Nguyen Tan Ngoc3,c 1-3 HCMC University of Technology and Education, Vietnam amdq@hcmute.edu.vn, bdodzung@hcmute.edu.vn, cngocnt@hcmute.edu.vn a Keywords: Hybrid ignition system; capacitor; self – inducted energy; self – induced emf; primary current, oscillation frequency Abstract This paper analyzed the effects of capacitor on the hybrid ignition system; especially on the accumulated energy Matlab was used to simulate the primary current, self – induced emf, oscillation frequency and accumulated energy The experiment data - primary current, self-induced emf, oscillation frequency and dwell time - was collected via PicoScope 4425 Automotive Oscilloscope Simulation results show that the accumulated energy in capacitors is greater than the required ignition energy, which ensure hybrid system working fluently Introduction In the gasoline engine, the ignition system has two basic functions The first function is aiming to create a high voltage, which may reach 45.000 V, from battery’s 12 -24 V The second function is aiming to control the spark and firing timing [1, 2] When the ignition system is working, at the end of the working stage, a high voltage, about 100 V to 300 V [1, 2, 3, 4]; appears in the primary coil This self-induced emf runs through switch, extends the discharge time and leads to voltage drop in the secondary coil It’s also causes a lot of negative effects like damaged switch and inductive interference [1, 2, 3, 4, 5] In the hybrid ignition system, at the end of the inductance-discharged stage, the self-induced energy will be stored in a capacitor and re-used in the next stage – the capacitor-discharged stage Therefore, all the negative effects of the self-induced emf are solved and a lot of energy in ignition system is also saved [6, 7] Fig Schematic of hybrid ignition system Working principle of the Hybrid ignition system: Figure shows the schematic of hybrid ignition system The hybrid ignition system has two separately stages of ignition: the inductance-discharged stage and the capacitor-discharged stage In the inductance-discharged stage, both transistor T1 and T2 are working, SCR is turning off Current is flowing through the ignition coil Transistor T2 is turned off by the Ignition control unit (ICM) when the ignition time comes At this time, not only the ignition occurs in spark plug, but also create a self-induced emf on the primary coil Capacitor C1 stores this self-induced emf In the capacitor-discharged ignition cycle, transistor T1 is not working, T2 is turning on and so SCR Electric current flows from capacitor C1 through SCR to the primary coil and through transistor T2 Luan van All rights reserved No part of contents of this paper may be reproduced or transmitted in any form or by any means without the written permission of Trans Tech Publications, www.scientific.net (#113729459-31/03/19,09:31:46) Applied Mechanics and Materials Vol 889 389 to mass, creating a high voltage in the secondary coil This is the capacitor-discharged stage [6, 7] The purpose of this schematic is calculating the primary current and self-induced emf in the hybrid ignition system Effects of Capacitance on the Self-Induced emf, Primary Current and Oscillation Frequency Primary current The equation of the primary current can be expressed as [7]: 𝑖𝑖1 (𝑡𝑡) = 0.7𝑎𝑎𝑒𝑒 20𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(𝑦𝑦𝑦𝑦/1.5) + 𝑧𝑧𝑒𝑒 20𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝑦𝑦𝑦𝑦/1.5) (1) Self-induced emf The equation of the self-induced emf can be expressed as [7]: 𝑉𝑉1 (𝑡𝑡) = −𝐿𝐿1 [(𝑎𝑎𝑎𝑎 + 𝑧𝑧𝑧𝑧/1.5)𝑒𝑒 𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 (𝑦𝑦𝑦𝑦⁄1.5)⁄3 + 0.8(𝑥𝑥𝑥𝑥 − 𝑎𝑎𝑎𝑎⁄1.5)𝑒𝑒 𝑥𝑥𝑥𝑥 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝑦𝑦𝑦𝑦⁄1.5)] − 3.5 (2) Oscillation period and frequency The equation of the oscillation period can be expressed as [8, 9]: 2𝜋𝜋 𝜏𝜏 = 𝜔𝜔 = 𝑑𝑑 2𝜋𝜋 𝑅𝑅 �1−� � � 𝐿𝐿1 𝐶𝐶1 2�𝐿𝐿1 ⁄𝐶𝐶1 (3) The equation of the oscillation frequency can be expressed as [8, 9]: With ⎧ ⎪ ⎪ 𝑐𝑐 𝑥𝑥 = − 𝑦𝑦 = �𝑑𝑑 − 𝑐𝑐 𝑎𝑎𝑎𝑎 ⎨ 𝑏𝑏− ⎪ 𝑧𝑧 = ⎪ 𝑐𝑐2 � 𝑑𝑑− ⎩ 4 and 𝑎𝑎 = 𝐼𝐼0 ⎧ 𝐼𝐼0 ⎪ 𝑏𝑏 = 𝐶𝐶1 𝑟𝑟 𝑓𝑓 = 𝜏𝜏 𝐿𝐿 +𝑅𝑅𝐶𝐶 𝑟𝑟 1 ⎨𝑐𝑐 = 𝐿𝐿1 𝐶𝐶1 𝑟𝑟 ⎪ 𝑅𝑅+𝑟𝑟 ⎩ 𝑑𝑑 = 𝐿𝐿1 𝐶𝐶1 𝑟𝑟 (4) [6, 7] Effects of capacitance on the self-induced emf, primary current and oscillation frequency Simulation with the following data: dwell time - the charging time of inductive coil - tng = (ms), battery voltage U = 12.54 (V), capacitance C1 = (μF), self-inductance L1 = 1.25 (mH), resistance R = 1.48 (Ω) This data will also apply to Matlab to simulate accumulated energy in the next section PicoScope 4425 Automotive Oscilloscope is used to collect those data from engines Figure shows the simulation result of the self-induced emf’s maximum voltage when C runs from 0.22 μF to μF Luan van 390 Material, Machines and Methods for Sustainable Development Effect of capacitance on the self-induced emf’s maximum voltage 450 400 Self-induced emf V1(V) 350 300 250 200 150 100 50 Capacitance C (C) -6 x 10 Fig Effect of C on the self-induced emf’s maximum voltage Figure shows the simulation result of the oscillation frequency when C runs from 0.22 μF to μF Effect of capacitance on the oscillation frequency’s value 7000 Oscillation frequency f(Hz) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Capacitance C(C) -6 x 10 Fig Effect of C on the oscillation frequency’s value Because capacitance doesn’t involve in the transient state of primary current, the primary current’s maximum value isn’t effected by changing capacitance Overall, with any changes in capacitance, self-induced emf and oscillation frequency are affected, primary current is not The self-induced emf and oscillation frequency are decreased correspondingly with the increase of capacitance Accumulated Energy There are two separately ignition stages in the hybrid ignition system: inductance-discharged ignition stage and capacitor-discharged ignition stage The ignition energy in the capacitor-discharged ignition stage comes from the “leftover” energy, which is stored in capacitor, of the inductance-discharged ignition stage Therefore, capacitance has a critical effect on the capacitor-discharged ignition stage The stored energy depends on the voltage and capacitance [8]: 𝑊𝑊𝐶𝐶 = 𝐶𝐶𝑉𝑉𝐶𝐶2 (5) The effect of time constant on the supplied voltage The voltage across the capacitor VC influenced by the time constant τ [8]: τ = RC Luan van (6) Applied Mechanics and Materials Vol 889 391 If the charge time of capacitor is more than 4τ, then VC = 99% VSupply [8, 10] With R = 1.48 Ω, C = μF, the time to fully charge a capacitor (99%VSupply) is: t = 4RC = 5.92 μs The effect of dwell time on the supplied voltage Capacitor can be charged only if the supplied voltage is larger than the voltage in capacitor So, the capacitor charge time is 1/4 the oscillation period of the hybrid ignition system’s self-induced emf Figure shows the self-induced emf’s wave in the primary coil Fig The self-induced emf’s wave in the primary coil Figure shows the self-induced emf’s maximum voltage when changing dwell time Self-induced emf’s maximum voltage 140 Self-induced emf V1(V) 130 Self-induced emf 120 110 100 90 80 2.5 1.5 3.5 Dwell time(s) 4.5 5.5 -3 x 10 Fig Effect of dwell time on the self-induced emf’s maximum voltage The self-induced emf’s maximum voltage is increased when increasing dwell time (tng) Figure shows the time constant, which capacitor will be fully charged (99% VSupply), when changing capacitance -4 Effect of on the capacitor’s real charge time and capacitor’s fully charge time x capacitance 10 The capacitor’s real charge time T(s) The capacitor’s fully charge time t(s) Time(s) 0 Capacitance C (C) -6 x 10 Fig The capacitor’s real charge time and capacitor’s fully charge time influenced by increasing capacitance from 0.22 μF to μF Luan van 392 Material, Machines and Methods for Sustainable Development Figure shows that the capacitor’s real charge time is much greater than the capacitor’s fully charge time It certainly confirms that capacitor will be fully charged by VC = 99% VSupply After the charged stage, we can probably assume that the self-induced emf’s maximum voltage in the primary coil is equal with the voltage in capacitor Figure shows how stored energy changes when increasing capacitance from 0.22 μF to μF Effect of capactiance on the accumulated energy 22 480 20 360 18 240 16 120 14 Capacitance C (C) Self-induced emf V1(V) Accumulated energy Wc(mJ) Accumulated energy Wc Self-induced emf V1 -6 x 10 Fig The accumulated energy changes when increasing capacitance from 0.22 μF to μF The accumulated energy reduced when increasing capacitance The highest stored energy is 20.7 mJ at C = 0.22 μF 𝐿𝐿 𝐼𝐼𝑛𝑛𝑛𝑛 To sum up, because the inductive discharge ignition energy is 𝑊𝑊đ𝑡𝑡 = , with Ing is the cut-out current of the ignition coil, the inductive discharge ignition energy isn’t changed if capacitance increases or decreases Figure points out that the capacitor’s real charge time is much greater than time constant Hence, we can assume that capacitor’s voltage is equal with self-induced emf’s maximum value (Vc= 99% VSupply) at the end of the charging stage The effect of losses on the accumulated energy The power dissipated Pd is calculated by [11, 12, 13, 14]: Pd = I2ESR (7) With: ESR = 𝜔𝜔2 𝐶𝐶 𝑟𝑟 (Ω) is Equivalent Series Resistance r: leakage resistance (Ω) C: capacitance (F) ω: the angular frequency of the self-induced emf (rad/s) I: current when capacitor is fully charged (A) Figure shows the energy holding time of capacitor at tng = 5ms Fig Capacitor’s holding voltage time with tng = (ms), r=106 (Ω), R=1.48 (Ω), L1=1.25.10-3 (H), U=12.54 (V), C=1 (μF) Luan van Applied Mechanics and Materials Vol 889 393 The first charged capacitor has the longest holding time, t = 47.42 ms, before discharging in the capacitor-discharged ignition stage Table Effect of capacitance on ESR and dissipated power at tng = ms C [µF] 0.22 0.5 ESR [Ω] 0.005682 0.0025 0.00125 0.000625 0.000417 0.000313 I [A] 5.706 4.63 3.378 1.813 1.526 7.749 Pd [mJ] 8.77 2.54 0.68 0.097 0.046 0.89 Figure shows the accumulated energy in capacitor with and with out dissipated loss 21 The accumulated energy in capacitor with and with out dissipated loss With out dissipated lost 20 With dissipated loss Accumulated energy Wc(mJ) 19 18 17 16 15 14 13 12 11 0.5 1.5 2.5 Capacitance C(µF) 3.5 Fig The accumulated energy in capacitor with and with out dissipated loss Table Accumulated energy with dissipated loss when C runs from 0,22 µF to 4µF C [µF] Wc [mJ] 0.22 0,5 11.93 17.62 18.84 18.56 17.97 16.58 W4=3Wc [mJ] 35.79 52.86 56.52 55.68 53.91 49.74 V1 [V] 433.8 284 197.6 136.6 109.6 93.47 With the described data in previous sections, when changing capacitance from 0.22 to µF, the highest accumulated energy (dissipated loss counted) is WC = 18.84 mJ at C = µF The lowest accumulated energy is WC = 11.93 mJ at C = 0.22 µF Generally, in the four-cylinder engine, because of losses, with the following data: tng = (ms), U = 12.54 (V), L1 = 1.25 (mH), R = 1.48 (Ω); the highest accumulated energy in our system is W4 = 3WC = 56.52 mJ at C = µF (Fig 9) From calculating and analyzing results, we suggest the schematic of the four-cylinder hybrid ignition system, which is showing in the figure 10 This schematic will be using for further researches Luan van 394 Material, Machines and Methods for Sustainable Development Fig 10 Schematic of the four-cylinder hybrid ignition system Figure 10 shows the schematic of the four-cylinder hybrid ignition system with three capacitors C1, C2 and C3 In the inductance-discharged stage, ICM is sequentially sending signals controlling pair of transistors T1-T4, T2-T4 and T3-T4 The self-induced emf is serially stored in capacitors Then, when transistor T5 is turned on by the ICM, this energy is flowing through the capacitor-discharged ignition coil This stage is the capacitor-discharged ignition stage Summary This paper investigates the effects of capacitance on: self-induced emf, oscillation frequency, primary current and accumulated energy in the hybrid ignition system Previous sections show that capacitance have an critical effect on the hybrid ignition system Self-induced emf and oscillation frequency are heavily affected but not primary current Researches in the ignition system prove that with the homogeneous and stability mixture and the A/F ratio is about 14.7/1, the required ignition energy is 0.2mJ If the mixture is too rich or too lean, the required energy is 0.3 mJ [2, 15, 16, 17] However, due to maintain the specific spark duration and losses, the required energy is at least 30 mJ to 50 mJ [2, 15, 16, 17, 18] In the four-cylinder hybrid ignition system, at least three capacitors are used After a continuously three inductance-discharged ignitions, the accumulated energy in capacitors, which each capacitance is µF and stored energy is 18.84mJ, is W4 = 3Wc = 56.52 mJ In the capacitor-discharged stage, when all three capacitors are discharged, the accumulated energy is completely sufficient all discussed ignition energy requirements [2, 15, 16, 17, 18] References [1] Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động cơ, pp.122-137, Vietnam National University Publish House – HCM City, 2013, pp.122-184 [2] Robert Bosch GmBh, Automotive Electric/Electronic System, Dipl.Ing (FH) Horst Bauer, 1995, pp 10-69, 168-195, 384-399, 526-530 [3] Tom Denton, Automobile Mechanical and Electrical Systems, Elsevier Ltd, 2011, pp 236-249 [4] Nobuo Suzuki, Koji Yoshikawa, Hitoshi Takeuchi, Ignition coil for internal combustion engines, U.S Patent 5349320 A, Sep 20, 1994 [5] Eiji Agatsuma, Ignition system for internal combustion engine, U.S Patent 5146906 A, Sep 15, 1992 [6] Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Lê Khánh Tân, A study of Hybrid ignition system in SI engines, The 4th national conference of mechanical science & technology, HCMC University of Technology and Education 2015, pp 411-418 Luan van Applied Mechanics and Materials Vol 889 395 [7] Do Van Dung, Do Quoc Am, Nguyen Tan Ngoc, Effects of resistance, capacitance and self-inductance on accumulated energy in the hybrid ignition system, ICSSE Conference 2017, pp 349 [8] Sen-Ben Liao, Peter Dourmashkin, John Belcher, “Inductance and Magnetic Energy”, in Introduction to Electricity and Magnetism: MIT 8.02 Course Notes, 2011, pp 15-53 [9] Singiresu S.Rao, Mechanical Vibrations (Fifth Edition), Prentice Hall, 2010, pp 10-362 [10] Allan R.Hambley, Electrical Engineering Principles and Applications Fifth edition, Prentice Hall, 2011, pp 124-165 [11] Capacitor Leakage Measurements Using a Model 6517A Electrometer, Keithley Instruments Inc., Ohio, 2001, pp 1-5 [12] Richard Fiore, ESR losses in ceramic capacitors, American Technical Ceramics Corp., New York, 2001, pp 1-4 [13] Equivalent Series Resistance (ESR) of Capacitors, QuadTech Inc., California, 2007, pp.1-4 [14] Dissipation factor of ceramic capacitors; a primer, Metuchen Capacitors, Inc., New York, pp 1-3 [15] Günter P Merker, Christian Schwarz, Gunnar Stiesch, Frank Otto, Simulating Combustion, Springer, 2006, pp 60-72 [16] John B Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company, 1998, pp 371-490 [17] Konrad Reif Ed, Gasoline Engine Management, Springer Vieweg, 2015, pp 162-177 [18] Terrence Lyle Williamson, Ignition system requirements and their application to the design of capacitor discharge ignition system, Naval postgraduate school Monterey, California, 1971, pp 9-25 Luan van S K L 0 Luan van ... ? ?Nghiên cứu đánh giá hiệu làm việc hệ thống đánh lửa Hybrid? ?? nhằm đánh giá khả tích lũy lượng, sở để xác định hệ thống đánh lửa lai có khả tiết kiệm lượng, bảo vệ chi tiết khác hệ thống đánh lửa. .. khả tích lũy lượng tự cảm sử dụng cho lần đánh lửa sau - Đánh giá lượng tích lũy hệ thống đánh lửa Hybrid - Đánh giá hiệu làm việc hệ thống đánh lửa Hybrid Sản phẩm: Sản phẩm khoa học: Luan van... thời nâng cao chất lượng đánh lửa hệ thống chống nhiễu cho thiết bị điện khác ô tô Đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá hiệu làm việc hệ thống đánh lửa Hybrid? ?? nhằm mục đích đánh giá công suất; mức tiêu