(Đồ án hcmute) đánh giá tính khả thi khi áp dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung điện cảm trên động cơ 6 xy lanh (2jz gte)

Sơ lược về hệ thống đánhlửa

Hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong là một hệ thống đóng vai trò hết sức quan trọng, nó quyết định đến tình trạng làm việc của động cơ, tác động đến tính kinh tế và hiệu suất làm việc của đông cơ.

Hệ thống đánh lửa điện cảm

Ngày nay, 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 [2] vào năm 1908, với nhiều tên gọi khác nhau như: hệ thống đánh lửa bán dẫn, hệ thống đánh lửa theo chương trình hoặc hệ thống đánh lửa trực tiếp.

Phần lớn đều có các ưu điểm chung sau đây: Có cấu trúc đơn giản, tính hoạt động ổn định, độ tin cậy cao và thời gian phóng xung điện cao áp dài và ổn định. Để tạo ra xung điện cao áp thì hệ thống phải dùng đến bộ điều khiển đánh lửa (hay còn gọi là IC đánh lửa) và biến áp đánh lửa (bobin) có kết cấu chính gồm cuộn sơ cấp và thứ cấp.

Trong hệ thống đánh lửa điện cảm, năng lượng cần thiết phục vụ cho quá trình đánh lửa được tích lũy dưới dạng năng lượng điện cảm thông qua quá trình tích lũy năng lượng và quá trình ngắt dòng điện qua cuộn sơ cấp bobin Năng lượng trên có vai trò quyết định đến chất lượng đánh lửa và cần đủ lớn để duy trì tia lửa giữa hai điện cực trên bugi.

Hệ thống đánh lửa điện dung

Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI) 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, chính vì điều này làm cho chúng thích hợp hơn trên động cơ tốc độ cao [1] Đặc trưng chính của hệ thống này là thời gian tích lũy năng lượng trên một tụ điện và thời gian giải phóng dòng năng lượng rất ngắn (vào khoảng 0.1-0.4ms) [1] nhằm tạo tia lửa điện trên bugi.

Với bằng sáng chế mang số hiệu #60925 tại Mỹ được đăng ký vào ngày 17-2-1897,Nikola Tesla [3] 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.

Hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm

Hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm hay còn gọi là hệ thống đánh lửa lai, hệ thống này kết hợp cả hai kiểu đánh lửa điện dung và điện cảm Hiện nay có rất nhiều biến thể của hệ thống đánh lửa lai được nghiên cứu và phát triển.

Các kết quả trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu đã công bố

Các kết quả ngoài nước

Vì nội dung chính của đồ án là tiến hành thực nghiệm và xây dựng mô hình đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm nên các bài báo thu thập sẽ chủ yếu nghiên cứu về hệ thống đánh lửa liên quan đến hệ thống đánh lửa điện dung, hệ thống đánh lửa điện cảm hoặc hệ thống đánh lửa lai (kết hợp điện dung – điện cảm).

Trong nghiên cứu: Ảnh hưởng của quá trình phóng điện dung công suất cao đối với các tác giả Shui Yu, Kelvin Xie, Xiao Yu, Xiaoye Han, Liguang Li, Mengzhu Liu, Jimi Tjong, Ming Zheng [4] Sơ đồ điều khiển điện tử được phát triển, với sự điều chỉnh linh hoạt của thời gian và điện áp sạc Dựa trên mạch đánh lửa cảm ứng cơ bản, mạch đánh lửa điện - điện dung công suất lớn sử dụng một tụ điện cao áp mắc song song để nâng cao công suất khi ngắt Tụ điện mắc nối tiếp với điện trở nội dòng Điện áp đánh lửa được đo thông qua một đầu dò điện cao áp được gắn ở đầu nối điện trở nội dòng Dòng điện được đo bằng một biến dòng kẹp trên cáp giữa các cực của tụ điện và điện trở Khe hở bugi tiêu chuẩn được điều chỉnh thành 0.8mm Các thí nghiệm được thực hiện với sự thay đổi điện dung tụ điện và điện trở nội dòng cho thấy dòng điện và công suất đánh lửa có thể được tăng cường đáng kể bằng cách mắc song song tụ điện, dẫn đến sự phát triển nhân ngọn lửa nhanh hơn và ranh giới dễ bắt lửa mở rộng, điện trở nội dòng hạn chế dòng điện cực đại khi đánh lửa nhưng vẫn duy trì cùng một ranh giới dễ bắt lửa trong điều kiện thí nghiệm áp suất thấp.

Hình 1.1: Mạch đánh lửa phóng điện - điện dung công suất lớn [4].

Với nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian phóng điện bằng hiệu ứng điện cảm của các tác giả Shingo Morita, Takafumi Narishige, Mitsuru Koiwa [5] Các bộ phận chính trong hệ thống này bao gồm: cuộn dây tăng áp 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 bobin 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 bobin 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.

Hình 1.2: Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian phóng điện bằng hiệu ứng điện cảm [5].

Trong nghiên cứu thử nghiệm hệ thống đánh lửa cho động cơ đốt cháy siêu khanCNG của các tác giả Jing Haiguo, Yang Liping và Ma Xiuzhen [6] Hệ thống đánh lửa sử dụng hai cuộn dây đánh lửa được phát triển với các thành phần: Mô-đun điều khiển đánh lửa, nguồn (12V), cuộn dây đánh lửa, điốt cao áp, cáp đánh lửa và bugi Mô-đun điều khiển đánh lửa tạo tín hiệu gửi tới bộ điều khiển Bộ điều khiển sau khi nhận được tín hiệu sẽ cho dòng điện đi qua cuộn dây sơ cấp theo dạng tín hiệu này, ở quá trình ngắt dòng sơ cấp, trên cuộn thứ cấp xuất hiện điện áp cao được cáp đánh lửa tải đến bugi để hình thành quá trình đánh lửa Hai điốt cao áp được sử dụng để chống nhiễu Việc sử dụng hệ thống đánh lửa này sẽ giúp tăng năng lượng đánh lửa lên gắp đôi, nâng cao giá trị điện áp thứ cấp thêm 30% và có thể kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa so với hệ thống đánh lửa một cuộn dây thông thường.

Hình 1.3: Hệ thống đánh lửa phóng điện cuộn dây kép [6].

Với hệ thống đánh lửa điện dung (CDI) cho động cơ đánh lửa (SI) (Mạch điều khiển xung) của tác giả Su Su Yi Mon [7] Để tạo ra mạch đánh lửa điện dung có giá thành thấp, ít phát xạ và mạch đơn giản để điều khiển xung cho SCR và mạch tạo xung cho động cơ đánh lửa bằng tia lửa, đồng thời có thể sử dụng cho cả động cơ xăng và động cơ khí Một hệ thống đánh lửa điện dung được cấu tạo bởi mạch tạo xung, mạch điều khiển xung, tụ điện, cuộn dây và bugi đã được chế tạo Để có được điện áp khoảng 400V cho tụ điện, trước tiên dòng điện của acquy được đưa đến một bộ nghịch lưu (để thay đổi điện thế một chiều thành điện thế xoay chiều) và sau đó nó được đưa đến một máy biến áp để tăng điện áp, sau đó mạch cầu chỉnh lưu được sử dụng để có được điện áp một chiều nạp cho tụ điện Khi cần tia lửa, mạch kích hoạt cấp một xung đến thyristor giải phóng điện áp của tụ cho cho cuộn sơ cấp của cuộn dây, sau đó một điện áp cao hơn 30kV được sinh ra ở mạch thứ cấp để tạo ra tia lửa điện có cường độ cao, trong thời gian ngắn.

Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống đánh lửa phóng điện điện dung [7].

Hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa của các tác giả Joseph M Lepley, Girard [8] 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 bobin 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). Đầu tiên, công tắc S1 mở, công tắc S2 đóng, năng lượng sẽ được tăng trưởng trong cuộn sơ cấp của biến áp đệm, sau đó công tắc S2 mở, tụ C1 sẽ được nạp do dòng điện cảm ứng của cuộn thứ cấp biến áp đệm phóng ra kết thúc thời gian nạp tụ thì công tắc S2 đóng lại Đến thời điểm đánh lửa, công tắc S1 sẽ được điều khiển đóng, tụ C1 sẽ phóng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa và tia lửa điện sẽ xuất hiện ở đầu bugi Lúc này công tắc S2 lại được mở ra và dòng điện cảm ứng từ cuộn thứ cấp của biến áp đệm sẽ phóng bồi thêm vào cuộn sơ của biếp áp đánh lửa Ứng dụng này sẽ giúp kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa điện ở đầu bugi.

Hình 1.5: Hình hệ thống đánh lửa điện dung với khả năng kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa [8].

Mục tiêu đồ án và mong muốn đạt được

Mục tiêu chính của đồ án

Đánh giá tính khả thi khi áp dụng mô hình hệ thống đánh lửa điện dung - điện cảm trên động cơ 6 xy-lanh sử dụng bobin đơn (2JZ-GTE) Nhằm mang lại sự tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Mong muốn đạt được

Nghiên cứu tính khả thi khi áp dụng mô hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung và điện cảm sử dụng bobin đơn trên động cơ Toyota (2JZ-GTE) với mục tiêu sử dụng một phần năng lượng tự cảm trên cuộn sơ cấp của bobin cụ thể như sau:

- Tính toán xác định được dung lượng của tụ đóng vai trò tích luỹ một phần năng lượng tự cảm trên hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm.

- Xác định được các cấu hình của hệ thống đánh lữa hỗn hợp điện dung - điện cảm

- Đánh giá tính khả thi khi áp dụng hệ thống đánh lửa điện dung - điện cảm trên động cơ 6 xy-lanh (2JZ-GTE).

Đối tượng, phạm vi và phương pháp 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 thực nghiệm, nghiên cứu, mô phỏng và tính toán so sánh các giá trị thông số giữa mô phỏng và thực nghiệm Qua đó dựa vào kết quả mô phỏng đưa ra đề xuất dung lượng tụ phù hợp cho hệ thống đánh lửa điện dung - điện cảm sử dụng cho động cơ nhiều xy-lanh sử dụng bobin đơn.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tham khảo tài liệu:

- Thu thập tài liệu có liên quan đến nội dung đề tài, phân tích, tổng hợp các nghiên cứu liên quan.

- Tính toán và xử lý các kết quả tính toán và tiến hành hiệu chỉnh các thông số.

- Sử dụng các phần mềm tính toán - mô phỏng hoạt động của hệ thống trên mô hình.

- Tính toán xác định các thông số của tụ điện và đánh giá tính khả thi của hệ thống. Phương pháp thực nghiệm:

- Sử dụng mô hình hệ thống đánh lửa trực tiếp trên động cơ Toyota 2JZ-FE và thu thập các thông số kỹ thuật cần thiết phục vụ cho các tính toán.

- Xây dựng mô hình thực nghiệm, tiến hành thực nghiệm nhằm đánh giá tính khả thi khi áp dụng mô hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ đề xuất.

Các nội dung chính và dự kiến kết quả

Dự kiến các nội dung trong đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống đánh lửa Qua đó, đưa ra hướng nghiên cứu của nhóm.

- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết lý thuyết về hệ thống đánh lửa trên động cơ ô tô.

- Thực nghiệm khảo sát, thu thập số liệu của hệ thống đánh lửa (động cơ TOYOTA 2JZ-GTE).

- Tính toán, mô phỏng xác định dung lượng của tụ điện.

- Tính toán đánh giá tính khả thi khi áp dụng mô hình đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm, đưa ra các cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm áp dụng trên động cơ đề xuất.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nhiệm vụ của hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong là một hệ thống đóng vai trò hết sức quan trọng, nó quyết định tình trạng làm việc của động cơ, đến tính kinh tế và hiệu suất làm việc của động cơ.

Hệ thống đánh lửa có 2 nhiệm vụ chính đó là:

- Biến dòng điện có điện áp thấp trên ô tô (từ 12V hay 24V) thành các xung điện áp cao (15kV – 40kV) [1] đủ để tạo nên tia lửa phóng qua khe hở bugi đốt cháy hỗn hợp làm việc trong các xy-lanh của động cơ vào những thời điểm thích hợp, tương ứng với trình tự xy-lanh và chế độ làm việc của động cơ.

- Làm nhiệm vụ đánh lửa đúng thời điểm mà động cơ cần để đốt cháy hòa khí một cách triệt để, tạo công suất lớn nhất, từ đó ngăn ngừa cặn cacbon xuất hiện và làm giảm khí thải có thể sinh ra gây ô nhiễm môi trường [1].

2.2 Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa

2.2.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại

Là hiệu điện thế cực đại đo được ở hai đầu cuộn dây thứ cấp khi tách dây cao áp ra khỏi bugi Hiệu điện thế V 2m phải đủ lớn để tạo ra tia lửa giữa hai điện cực của bugi nhất là lúc khởi động V 2m có giá trị từ 15 - 40kV [1, 9].

2.2.2 Hiệu điện thế đánh lửa đ

Là hiệu điện thế thứ đánh lửa (V đ l ) Hiệu điện luật Paschen: cấp mà tại đó quá trình đánh lửa xảy ra được gọi là hiệu điện thế thế đánh lửa là một hàm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, theo định

P: Áp suất trong buồng đốt tại thời điểm đánh lửa (atm). δ: Khe hở bugi (mm).

T: Nhiệt độ ở điện cực trung tâm của bugi tại thời điểm đánh lửa (° ).

K: Hằng số phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp hòa khí - Đối với động cơ sử dụng bộ chia điện V đ l = 4 - 18kV.

- Đối với động cơ đánh lửa trực tiếp V đ l = 6 - 14kV 2.2.3 Hệ số dự trữ K đ t

Hệ số dự trữ K đ t , còn được gọi là hệ số dự trữ điện thế, là tỷ số giữa hiệu điện thế thứ cấp cực đại V 2m và hiệu điện thế đánh lửa V đ l [1, 9]:

Hệ số K đ t < 1.5 đối với hệ thống đánh lửa thường và bằng 1.5 ÷ 2 đối với động cơ xăng dùng hệ thống đánh lửa điện tử đáp ứng được việc tăng tỷ số nén, tăng số vòng quay và tăng khe hở bugi.

2.2.3 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S

∆ 2 : Độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.

∆ : Thời gian biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp.

Tốc độ biến thiên S càng lớn thì tia lửa xuất hiện tại điện cực bugi càng nhanh, nhờ đó dòng điện không bị rò qua muội than trên cực điện bugi, năng lượng tiêu hao trên mạch thứ cấp giảm [1, 10].

2.2.4 Tần số và chu kỳ đánh lửa

Tần số đánh lửa là số tia lửa xuất hiện trong 1 giây. Đối với động cơ 4 kỳ tần số f được tính bởi công thức:

120 Đối với động cơ 2 kỳ:

- f: Tần số đánh lửa (Hz).

- n: Tốc độ động cơ (vòng/phút).

- Z: Số xy-lanh động cơ.

Chu kỳ T là thời gian giữa hai lần xuất hiện tia lửa.

T = 1/f = đ + (2.6) đ : Thời gian vít ngậm hay transitor dẫn bão hòa.

: Thời gian vít hở hay transitor ngắt.

Tần số f tỷ lệ thuận với tốc độ động cơ và số xy-lanh, tỷ lệ nghịch với chu kỳ.

12 Đối với các hệ thống đánh lửa được điều khiển bằng máy tính, thời gian đ do máy tính điều khiển nhằm bảo đảm năng lượng đánh lửa đủ lớn ở mọi chế độ hoạt động của động cơ.

2.2.5 Thời gian tích lũy năng lượng ( đ )

Thời gian tích lũy năng lượng đ được xem như thời gian dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của bobin Cường độ dòng điện lúc ngắt, ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của bobin Vì vậy, khoảng thời gian này thường được biết đến như thời gian tích lũy năng lượng Trên hệ thống đánh lửa trực tiếp (một bobin chỉ sử dụng cho một bugi), đ được ECU - Electronic Control Unit điều khiển [1] nhằm bảo đảm năng lượng đánh lửa khi thay đổi tốc độ của động cơ.

Hệ thống đánh lửa điện cảm

Hệ thống đánh lửa điện cảm TI (Transitorized Ignition System) được sử dụng phổ biến trên ô tô, năng lượng đánh lửa được tích trữ trên cuộn dây sơ cấp của bobin.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện cảm được mô tả trên Hình 2.1.

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa điện cảm [1, 10].

: Điện trở phụ (một số hệ thống không dùng điện trở phụ).

1 : Điện trở của cuộn sơ cấp.

1 , 2 : Hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp của bobin.

T: Transistor công suất được điều khiển bởi tín hiệu từ các cảm biến hay từ máy tính điều khiển động cơ (ECU).

Quá trình đánh lửa được chia làm ba giai đoạn: Giai đoạn tăng trưởng của dòng điện

13 sơ cấp hay còn gọi là giai đoạn tich lũy năng lượng, giai đoạn ngắt dòng điện ở cuộn sơ cấp và giai đoạn phóng điện ở điện cực bugi.

2.3.1 Giai đoạn tăng trưởng dòng điện sơ cấp

Hình 2.2: Sơ đồ tương đương giai đoạn tăng trưởng dòng sơ cấp 1 [1, 10].

Khi transistor T dẫn dòng điện 1 đi từ (+) accu đến điện trở phụ ( ), qua cuộn dây sơ cấp 1 , đến transistor T (S), đến (-) accu Do sức điện động tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp 1 chống lại sự tăng trưởng của cường độ dòng điện, nên dòng điện đi qua cuộn sơ cấp 1 tăng chậm, giai đoạn này mạch thứ cấp không chịu ảnh hưởng.

: Hiệu điện thế của accu.

∆ : Độ sụt áp trên transistor công suất ở trạng thái dẫn bão hòa.

Ta thiết lập được phương trình vi phân sau:

Giải phương trình ta được:

Hình 2.3: Đồ thị tăng trưởng cường độ dòng điện sơ cấp 1 [11].

Gọi đ là thời gian transistor dẫn bão hòa, cường độ dòng điện sơ cấp tương ứng là đ :

Tại thời điểm đánh lửa, năng lượng tích lũy trong cuộn sơ cấp dưới dạng từ trường:

2.3.2 Giai đoạn ngắt dòng điện ở cuộn sơ cấp

Hình 2.4: Sơ đồ mô tả quá trình phóng điện ở cuộn thứ cấp [1, 9].

Khi dòng điện đi qua cuộn sơ cấp bị ngắt (transistor ngắt) trên cuộn thứ cấp xuất hiện một hiệu điện thế khoảng 15kV đến 50kV Giá trị này phụ thuộc vào nhiều thông số của mạch sơ cấp và thứ cấp Ví dụ như: điện trở mất mát, điện trở rò qua điện cực bugi,

Sơ đồ Hình 2.4 được sử dụng để tính toán điện thế thứ cấp cực đại Trong sơ đồ này: : Điện trở mất mát trên cuộn thứ cấp.

: Điện trở rò qua điện cực bugi.

Năng lượng điện từ tích lũy trên mạch từ của cuộn sơ cấp lúc transistor ngắt:

Nếu không để xuất hiện tia lửa điện cao thế, năng lượng này sẽ biến thành năng lượng điện trường tích lũy trong điện dung 1 của mạch sơ cấp và điện dung 2 ký sinh của mạch thứ cấp, một phần mất mát khác do tỏa nhiệt và hiệu suất làm việc của bobin.

Như vậy, phương trình cân bằng năng lượng lúc transistor ngắt có thể viết:

Sau khi biến đổi, hiệu điện thế cực đại trên cuộn thứ cấp 2 được xác định bởi công thức:

= 2 / 1 : Hệ số biến áp bobbin.

: Hệ số tính đến sự mất mát trong mạch dao động (0.7 – 0.8).

1 , 2 : Số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp.

1 : Điện dung của tụ điện mắc song song với vít lửa hay với transistor công suất.

2 : Điện dung ký sinh trên mạch thứ cấp.

Hình 2.5: Đồ thị mô tả quy luật biến đổi hiệu điện thế thứ cấp2 [1].

Khi transistor ngắt trên cuộn sơ cấp sẽ sinh ra một sức điện động khoảng 100V đến 300V [1, 10].

2.3.3 Giai đoạn phóng điện ở điện cực bugi

Khi điện áp 2 đạt đến giá trị đ sẽ xuất hiện tia lửa cao thế giữa hai đầu cực của bugi Tia lửa điện trên bugi bao gồm tia lửa điện dung và tia lửa điện cảm.

Phần tia lửa điện dung: Được qui ước bởi điện dung 2 ký sinh và đặc trưng bởi sự sụt áp và tăng dòng đột ngột Cường độ dòng điện có thể đạt đến hàng trăm Ampere, công suất của tia lửa điện dung có thể lên tới hàng chục hay hàng trăm kW.

Do dao động với tần số cao (10 6 -10 7 Hz), nên tia lửa điện dung dễ gây ra ăn mòn điện cực bugi Nó thường có màu xanh sáng kèm theo tiếng nổ lách tách Khi xuất hiện tia lửa điện cảm: Cường độ dòng điện lúc này đạt khoảng 20-40mA, hiệu điện thế giữa hai cực của bugi giảm nhanh đến giá trị từ 400-500V Thời gian kéo dài tia lửa điện cảm gấp 100-1000 tia lửa điện dung Thời gian xuất hiện tia lửa điện cảm từ 1-2.5ms [12] Do đó tia lửa điện dung chỉ là một phần nhỏ của tia lửa, thời gian này phụ thuộc vào loại bugi, khe hở bugi và chế độ làm việc của động cơ. a: Thời gian hình thành tia lửa điện dung b: Thời gian hình thành tia lửa điện cảm

Hình 2.6: Đồ thị mô tả quy luật biến đổi của tia lửa điện dung và điện cảm [1, 9]. 2.3.4 Ưu, nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện cảm Ưu điểm

- Thời gian phóng điện kéo dài (khoảng 1 – 2.5ms) nên sẽ đốt sạch hòa khí trong xy-lanh ở hầu hết các chế độ làm việc của động cơ [12].

- Khe hở bugi không cần phải chỉnh quá lớn như đánh lửa điện dung nên tăng tuổi thọ của bugi [1].

- Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn so với đánh lửa điện dung [1].

- Thời gian tích lũy năng lượng dài, nhất là khi động cơ hoạt động ở tốc độ thấp nên dễ gây lãng phí năng lượng, dễ gây nóng bobin, hỏng transitor [1, 9].

- Ở tốc độ cao do không đủ thời gian tăng trưởng dòng sơ cấp nên điện áp thứ cấp sẽ giảm [1, 9].

- Hiệu điện thế thứ cấp tăng trưởng chậm hơn đánh lửa CDI, nên có hiệu suất làm việc kém khi có điện trở rò ở bugi [1, 10].

Hệ thống đánh lửa điện dung

Hệ thống đánh lửa điện dung thường được sử dụng trên các xe có động cơ hoạt động ở số vòng quay lớn (xe đua, mo-to và xe gắn máy). Ở hệ thống đánh lửa điện dung năng lượng trên mạch sơ cấp của bobin được tích lũy dưới dạng điện trường được chứa trên tụ điện C:

C: điện dung của tụ điện (F).

V: điện áp trên tụ điện (V).

2.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa điện dung (CDI

Hệ thống đánh lửa CDI bao gồm một bộ tạo dao động, biến áp, tụ tích năng và bộ điều khiển quá trình xả năng lượng của tụ điện qua bobin đánh lửa Bên trong cụm CDI có bố trí mạch kích, mạch này nhận tín hiệu từ cảm biến đánh lửa để điều khiển trạng thái hoạt động của công tắc chuyển mạch.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa CDI: Dòng điện từ accu qua bộ tạo dao động tạo ra các xung 12V, nhờ sự đóng ngắt này mà ở cuộn thứ cấp xuất hiện các xung điện áp có giá trị trong khoảng 300-400V Các xung này được chỉnh lưu qua diode và nạp cho tụ tích năng Khi có tín hiệu đánh lửa, thông qua mạch điều khiển, công tắc chuyển mạch (SCR) sẽ ở trạng thái mở Lúc này, năng lượng tích luỹ trên tụ điện sẽ được phóng qua cuộn sơ cấp của bobin đánh lửa rồi về cực âm của tụ điện, điều này sẽ giúp tạo ra điện áp cao (30.000-60.000V) trên cuộn thứ cấp của bobin đánh lửa, năng lượng này được đưa đến các bugi để đốt cháy hoà khí bên trong các xy-lanh.

2.4.2 Ưu, nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện dung Ưu điểm

- Đặc tính đánh lửa hầu như không phụ thuộc vào tốc độ động cơ, vì tụ điện có khả năng nạp rất nhanh và được tính toán luôn được nạp đầy ở số vòng quay cao nhất của động cơ [1].

- Hiệu điện thế thứ cấp tăng trưởng nhanh nên tăng được độ nhạy đánh lửa, không phụ thuộc vào điện trở rò ở bugi [1, 9].

- Hiệu điện thế thứ cấp trên hệ thống đánh lửa điện dung (30kV-60kV) lớn hơn trên hệ thống đánh lửa điện cảm (7-50kV) [1].

Hình 2.8: Đồ thị mô tả sự tăng trưởng của hiệu điện thế trên cuộn thứ cấp của bobin trong trường hợp đánh lửa TI và CDI [1, 10].

Thời gian phóng nạp của tụ điện là rất ngắn nên thời gian tồn tại tia lửa bugi là rất

- Hòa khí sẽ khó bén lửa nếu quá loãng [1, 10].

- Khe hở điện cực bugi lớn (để tăng diện tích tiếp xúc với hỗn hợp) nên điện cực bugi mau mòn [1, 9].

KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA TRÊN ĐỘNG CƠ (2JZ-GTE) 23

Giới thiệu hệ thống đánh lửa trên động cơ (2JZ-GTE)

Để thu thập dữ liệu thực tế cho nghiên cứu, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát hệ thống đánh lửa trên động cơ (2JZ-GTE) của xe Supra Động cơ (2JZ-GTE) 6 xy-lanh thẳng hàng của hãng Toyota được sản xuất vào những năm 1993 cho công suất 276 mã lực và moment xoắn khoảng 318 lb-ft [15].

Hệ thống đánh lửa sử dụng trên động cơ (2JZ-GTE) bao gồm: các cảm biến (vị trí trục cam, vị trí trục khuỷu, kích nổ,…), bộ đánh lửa, ECU điều khiển tín hiệu đánh lửa, bobin, bugi,… Đây là hệ thống đánh lửa điện cảm được điều khiển trực tiếp từ hệ thống điều khiển động cơ - Engine management system, bố trí bộ đánh lửa và bobin thành một cụm (COP – Coil on plug) như hình vẽ.

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống đánh lửa trên động cơ (2JZ-GTE).

Dựa trên các thông tin nhận được từ các cảm biến và các dữ liệu chứa trong bộ nhớ,ECU sẽ xác định thời điểm đánh lửa và tính toán mức tích lũy năng lượng cho từng điều kiện làm việc khác nhau của động cơ ECU sẽ gửi tín hiệu thời điểm đánh lửa (IGT) đến bộ đánh lửa, dưới dạng xung vuông Bộ đánh lửa có chức năng đóng ngắt dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của bobin Khi tín hiệu IGT bị ngắt, bộ đánh lửa sẽ ngắt dòng điện đi qua cuộn sơ cấp, sẽ điều khiển đánh lửa cho một bugi.

Các thông số của hệ thống đánh lửa trên động cơ (2JZ-GTE)

3.2.1 Tín hiệu đánh lửa IGT

Dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của bobin được điều khiển từ ECU động cơ thông qua tín hiệu đánh lửa IGT, tín hiệu này sẽ điều khiển trạng thái đóng/ngắt của transistor công suất trong bộ đánh lửa Khi dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobin ngắt, sự biến thiên từ trường sẽ làm xuất hiện quá trình đánh lửa trên bugi Dựa vào các thông tin thu thập từ các cảm biến, thông qua bản đồ dữ liệu và các chương trình lưu trữ từ bộ nhớ trong, ECU động cơ sẽ điều khiển hai thông số của xung IGT:

 Thời điểm xuất hiện xung IGT.

 Độ rộng xung IGT: Được điều khiển phụ thuộc vào giá trị điện thế của accu và tốc độ động cơ.

3.2.2 Tín hiệu hồi tiếp IGF

Tín hiệu IGF (Ignition Feedback) nhằm phục vụ cho mục đích chẩn đoán và chức năng an toàn trên động cơ Khi bộ đánh lửa xác định cường độ dòng điện đạt giá trị đáp ứng được khả năng đánh lửa, tín hiệu IGF sẽ được tạo ra từ bộ đánh lửa và gửi về ECU động cơ (cứ một lần thực hiện quá trình đánh lửa, tương ứng với một tín hiệu IGF). Trường hợp không nhận được tín hiệu này, ECU sẽ ngừng quá trình điều khiển phun nhiên liệu nhằm tránh xảy ra các hư hỏng và bảo đảm giới hạn phát thải trên động cơ.

3.2.3 Điều khiển dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobin

Cường độ dòng điện sơ cấp ảnh hưởng đến cường độ từ trường trên cuộn dây đánh lửa và năng lượng đánh lửa Vì vậy, cường độ dòng điện sơ cấp càng lớn càng tốt Tuy nhiên, cường độ này không được quá lớn để tránh hỏng cuộn dây sơ cấp do nhiệt sinh ra trong quá trình làm việc Ảnh hưởng này rất lớn khi động cơ hoạt động với số vòng quay nhỏ (thời gian tích lũy năng lượng đ lớn) Với các động cơ được điều khiển từ ECU, máy tính sẽ điều khiển thời gian tích lũy năng lượng đ , nhằm bảo đảm dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của bobin đạt giá trị định mức.

OFF Thời gian tích lũy năng lượng

Thời gian tích lũy năng lượng theo số vòng quay

ECU động cơ tính toán thời điểm đánh lửa tối ưu dựa theo các tín hiệu thu được từ các cảm biến khác nhau (nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp, vị trí bướm ga, ) và gửi tín hiệu IGT đến bộ đánh lửa.

Tín hiệu IGT gửi tới bộ đánh lửa (Igniter) dùng để đóng ngắt các transitor công suất. Khi có tín hiệu IGT truyền tới, transitor công suất tương ứng sẽ đóng lại, cho phép dòng điện đi qua cuộn sơ cấp của bobin Khi tín hiệu IGT bị ngắt, dòng điện đi qua cuộn sơ cấp bị ngắt đột ngột hình thành tia lửa điện cao giữa hai điện cực của bugi Thời gian tín hiệu IGT tồn tại chính là thời gian tích lũy năng lượng của động cơ cho mỗi lần đánh lửa. Ở động cơ (2JZ-GTE), ta dùng bộ đo dao động Pico Automotive Oscilloscope để khảo sát thời gian tích lũy năng lượng ở một số vòng quay nhất định của động cơ Mối quan hệ giữa thời gian tích lũy năng lượng và số vòng quay được biểu diễn trên bảng số liệu như sau:

Bảng 3.1: Thời gian tích lũy năng lượng tương ứng với số vòng quay.

Do hạn chế của mô hình động cơ (2JZ-GTE) không thể điều chỉnh số vòng quay quá cao, ta thực hiện nội suy trên máy tính để có được thời gian tích lũy năng lượng ở các số

25 vòng quay cao hơn và được thể hiện trong biểu đồ sau:

(ms) Thời gian tích lũy năng lượng/ Số vòng quay

ĐÁNH GIÁ TÍNH KHẢ THI KHI ÁP DỤNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HỖN HỢP ĐIỆN DUNG - ĐIỆN CẢM SỬ DỤNG BOBIN ĐƠN TRÊN ĐỘNG CƠ (2JZ-GTE)

Mô hình tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp

Nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp đã được xây dựng trong đề tài: Nghiên cứu, tính toán, chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm sử dụng bobin đơn của tác giả Đỗ Quốc Ấm.

Mô hình tính toán bao gồm các đáp ứng quá độ của dòng điện sơ cấp 1 và điện áp sơ cấp 1 được xây dựng qua hai giai đoạn đánh lửa điện cảm: Giai đoạn tích lũy năng lượng và giai đoạn ngắt dòng điện sơ cấp Sau đó sử dụng bộ hệ số hiệu chỉnh sao cho các đáp ứng tính toán từ mô hình có thể bám sát được đáp ứng thực nghiệm để xác thực tính hợp lệ của mô hình toán [11].

4.1.1 Giai đoạn tích lũy năng lượng [11] i 1

Hình 4.1: Mô hình tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp giai đoạn tích lũy năng lượng [11]. Áp dụng định luật Kirchhoff cho sơ đồ trên Hình 4.1, ta được phương trình vi phân:

Với: R: Tổng trở mạch sơ cấp (R= R f + R 1 ).

R f : Điện trở phụ của hệ thống, điện trở transitor công suất lúc dẫn, điện trở dây dẫn (Ω).).

R 1 : Điện trở cuộn sơ cấp của bobin đánh lửa điện cảm (Ω).).

L 1 : Hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp bobin (H). i 1 : Cường độ dòng điện sơ cấp (A).

Từ biến đổi phương trình (4.1) ta có:

Với: i đ : Cường độ dòng điện lúc transistor công suất ngắt. t đ : thời gian tích lũy năng lượng.

4.1.2 Giai đoạn ngắt dòng điện sơ cấp [11]

Hình 4.2: Mô hình tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp giai đoạn ngắt dòng điện sơ cấp [11].

R: Tổng trở mạch sơ cấp (Ω).). r: Điện trở rò tụ C1 = 10 6 (Ω).). i 1 : Dòng điện đi qua điện trở R (A). i 2 : Dòng điện đi qua tụ điện C1 (A). i 3 : Dòng điện rò của tụ (A).

L 1 : Hệ số tự cảm cuộn sơ cấp (H).

C 1 : Dung lượng của tụ (F). Áp dụng định luật Kirchoff và biến đổi Laplace cho mạch ta có phương trình cường độ dòng sơ cấp i 1 (t):

Sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khi transistor công suất ngắt V 1 (t):

4.1.3 Hiệu chỉnh mô hình toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp [11] Để mô tả chính xác đáp ứng của hệ thống đánh lửa trong điều kiện thực tế (có đánh lửa, tổn hao từ thông và điện trở mạch thứ cấp) cần sử dụng các hệ số hiệu chỉnh 0 và 0 cho mô hình toán đã xây dựng, cụ thể:

Trong đó: 0 đặc trưng cho sự sụt giảm của 1 và 1.

0 đặc trưng cho sự tắt dần nhanh hơn của 1 và 1

4.2 Đáp ứng mô hình toán khi ứng dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ

(2JZ-GTE) Để đo đáp ứng thực nghiệm của dòng điện sơ cấp 1 và sức điện động tự cảm V 1 trên động cơ (2JZ-GTE) nhóm nghiên cứu sử dụng thiết bị đo tín hiệu hệ thống đánh lửa chuyên dụng Pico Automotive Oscilloscopes.

Trong phần 4.1 đã đưa ra mô hình toán cho mạch đánh lửa hỗn hợp (công thức 4.3 và 4.4) Sau khi khảo sát thực nghiệm, bằng cách sử dụng các hệ số hiệu chỉnh 0 và 0 của mô hình toán, xác định hệ số hiệu chỉnh sao cho các đáp ứng tính toán từ mô hình gần đúng với các đáp ứng thực nghiệm.

Bằng cách so sánh các thông số mạch (bao gồm dòng điện sơ cấp cực đại 1m và điện áp sơ cấp cực đại sau khi ngắt dòng sơ cấp 1m ) được tính toán từ mô hình sử dụng cùng bộ hệ số hiệu chỉnh với các kết quả thu được từ thực nghiệm, khi thay đổi thời gian tích lũy năng lượng sơ cấp đ khác nhau, ta đánh giá được độ chính xác của mô hình toán đã xây dựng.

4.2.1 Đáp ứng dòng điện sơ cấp và điện áp sơ cấp thực nghiệm trên động cơ

(2JZ-GTE) Đáp ứng thực nghiệm khi sử dụng mô hình đánh lửa nguyên thuỷ trên động cơ Toyota (2JZ-GTE).

Hình 4.3: Đáp ứng thực nghiệm của động cơ (2JZ-GTE) ở thời gian tích lũy năng lượng t đ = 4.495ms – (tại số vòng quay 1250 v/p) của dòng điện sơ cấp 1 và sức điện động tự cảm V 1

Trước thời điểm , mạch ở trạng thái nghỉ nên 1 = 0 (Hình 4.3) Từ thời điểm , transistor công suất T dẫn điện,

1 tăng theo hàm mũ từ 0 đến giá trị 4.393A và duy trì đến khi transistor T ngắt ( = đ ) Trong khoảng thời gian − tương đương với khoảng thời gian tích lũy năng lượng từ trường trong cuộn sơ cấp bobin đ = 4.495ms, sức điện động tự cảm 1 (cũng là điện áp trên tụ C) bằng với điện áp bão hòa V CE.sat của transistor T nên có giá trị gần bằng 0.

Từ thời điểm đ , transistor ở trạng thái off (đóng) nên 1 giảm đột ngột, sinh ra điện áp tự cảm lớn Điện áp 1 vì thế tăng vọt từ gần bằng 0 tiến đến giá trị đỉnh khoảng 393V Trong lúc 1 tăng trưởng, tụ 1 được nạp điện và một phần năng lượng từ trường trong cuộn sơ cấp được chuyển thành năng lượng điện trường tích lũy trong tụ 1 Tương ứng với giá trị V 1 , điện áp trên cuộn thứ cấp của bobin đạt đến giá trị V 2 = V đl (điện áp đánh lửa) Khi tia lửa xuất hiện giữa hai điện cực của bugi kéo theo sự biến đổi năng lượng điện thành nhiệt năng bức xạ bởi hồ quang điện, tổn hao từ thông trên bobin và tổn thất nhiệt trên các điện trở có mặt trong mạch thứ cấp Năng lượng đã tích lũy

32 trong cuộn sơ cấp sẽ bị tiêu tán nhanh nên dòng điện sơ cấp 1 và sức điện động 1 tắt nhanh.

4.2.2 Đáp ứng dòng điện sơ cấp i 1 và điện áp sơ cấp V 1 tính toán từ động cơ

4.2.2.1 Đáp ứng tính toán từ mô hình hệ thống đánh lửa (động cơ Toyota 2JZ-

GTE) chưa qua hiệu chỉnh

Từ các thông số của hệ thống đánh lửa nguyên thủy đã được trình bày ở Bảng 3.2, đáp ứng tính toán dòng điện sơ cấp 1 và điện áp sơ cấp 1 theo công thức (4.3) và (4.4) ở thời gian tích lũy năng lượng đ = 4.495 được thể hiện trên Hình 4.4 và Hình 4.5:

Hình 4.4: Đáp ứng tính toán dòng điện sơ cấp 1 ở thời gian tích lũy năng lượng t đ =4.495ms - công thức (4.3).

Từ Hình 4.4 ta thấy dòng điện sơ cấp 1 tăng trưởng theo hàm mũ và giảm nhanh đột ngột khi transitor công suất ngắt Do không xét đến quá trình biến đổi năng lượng điện và các tổn hao mạch thứ cấp, 1 vì thế dao động lớn và tắt dần chậm.

Hình 4.5: Đáp ứng tính toán điện áp sơ cấp 1 ở thời gian tích lũy năng lượng t đ =4.495ms - công thức (4.4).

Tương tự như đáp ứng dòng điện sơ cấp 1 , đáp ứng tính toán điện áp sơ cấp 1 cũng thể hiện cùng tính chất mạch điện: Dao động tắt dần Điện áp cực đại đạt gần 495V thay vì xấp xỉ 393V như thực nghiệm Vì điện áp sơ cấp được tính toán từ thời điểm ngắt dòng sơ cấp đ = 4.495 bằng cách đạo hàm trực tiếp dòng điện sơ cấp 1 , do đó điện áp xác lập có giá trị 0V thay vì 12.53V như thực nghiệm Đề có thể có các kết quả tính toán hợp lý cần phải hiệu chỉnh các thông số trên mô hình toán.

4.2.2.2 Đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh Để xác thực tính hợp lệ của mô hình toán đã xây dựng cần tiến hành xác định được bộ hệ số hiệu chỉnh 0 và 0 phù hợp sao cho các đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh

(công thức 4.5 và 4.6) có thể bám sát theo đáp ứng thực nghiệm.

Hình 4.6 và 4.7 trình bày đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh trên mô hình đánh lửa nguyên thủy trên động cơ (2JZ-GTE) với 0 = 0.35 và 0 = 7.

Các phương trình 1 ( ) và 1 ( ) sau hiệu chỉnh:

Hình 4.6: Đáp ứng tính toán dòng điện sơ cấp 1 ở thời gian tích lũy năng lượng t đ = 4.495ms sau hiệu chỉnh – công thức (4.7).

Hình 4.7: Đáp ứng tính toán điện áp sơ cấp 1 ở thời gian tích lũy năng lượng t đ = 4.495ms sau hiệu chỉnh – công thức (4.8).

4.2.3 Đánh giá độ chính xác của mô hình đánh lửa hỗn hợp đã xây dựng

Bộ hệ số hiệu chỉnh đã được xác định là 0 = 0.35 và 0 = 7.

Sử dụng cùng bộ hệ số hiệu chỉnh ở các thời gian tích lũy năng lượng đ khác nhau Sau khi hiệu chỉnh, dòng điện sơ cấp bão hòa trước khi ngắt dòng sơ cấp 1m xác định từ

Ảnh hưởng của dung lượng tụ điện đến điện áp thứ cấp cực đại V 2m

Đối với động cơ đánh lửa trực tiếp, điện áp đánh lửa V đl thường có giá trị khoảng từ 6-14kV để có thể chọc thủng khe hở hòa khí và hình thành tia lửa điện trên bugi Tuy nhiên, để bảo đảm tính ổn định trên hệ thống, thì giá trị cực đại của điện áp thứ cấp V 2m >

V đl để đảm bảo xuất hiện tia lửa điện Để có một hệ số dự trữ nhất định V 2m thường nằm trong khoảng: 15 – 40kV [11].

Sự thay đổi điện áp cực đại 1 khi thay đổi dung lượng tụ 1 được biểu diễn như

Hình 4.10: Sự thay đổi điện áp cực đại 1 khi thay đổi dung lượng tụ 1.

Ta có điện áp thứ cấp cực đại V 2m được xác định như sau:

 K bb = Hệ số biến áp bobin ( = 85)

Từ Hình 4.10 ta thấy, khi tăng dung lượng C, tụ điện đóng vai trò tích lũy môt phần năng lượng tự cảm, điện áp thứ cấp cực đại V 2m có xu hướng giảm dần.

Hình 4.11: Quan hệ giữa dung lượng tụ 1 và điện áp thứ cấp cực đại 2 trên động cơ (2JZ-GTE).

Khảo sát ảnh hưởng của điện dung tụ C 1 đến năng lượng đánh lửa điện cảm W đc và năng lượng đánh lửa điện dung W đd trên động cơ (2JZ-GTE) 38

và năng lượng đánh lửa điện dung W đd trên động cơ (2JZ-GTE)

4.4.1 Quan hệ giữa các giá trị năng lượng trên mô hình đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm [11]

Khi transitor ngắt, năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa điện cảm được viết dưới dạng:

Trong đó: 1 : Hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa điện cảm (H). đ : Cường độ dòng điện cực đại trên cuộn sơ cấp lúc ngắt transitor (A).

Vì năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa điện cảm được tích lũy một phần trên tụ điện nhằm phục vụ cho quá trình đánh lửa điện dung và một phần phục vụ quá trình đánh lửa điện cảm nên được tính như sau:

- W đd : Năng lượng tích lũy trên tụ điện ở mạch đánh lửa điện cảm nhằm phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện dung và được tính theo công thức:

- W đc : Năng lượng còn lại phục vụ đánh lửa điện cảm 38 Ở cuối quá trình tích lũy năng lượng trên các bobin đánh lửa điện cảm, khi thời gian tích lũy năng lượng t = t đ , dòng điện sơ cấp bị ngắt đột ngột, lúc này điện áp trên tụ lúc này sẽ bằng điện áp tự cảm xuất hiện trên cuộn sơ cấp bobin Vì vậy, năng lượng trên tụ sẽ được tích lũy đến giá trị đ = 1 2 1 1 2

, phần năng lượng này sẽ nhằm mục đích phục vụ cho quá trình đánh lửa điện dung Như vậy, năng lượng còn lại phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện cảm W đc sẽ bằng: đ = − đ

Quan hệ giữa các giá trị , đ , đ khi thay đổi giá trị dung lượng của tụ điện C được thể hiện qua Hình 4.12.

Hình 4.12: Quan hệ , đ , đ theo dung lượng tụ 1 [11].

4.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của điện dung tụ C đến năng lượng đánh lửa điện cảm

W đc và năng lượng đánh lửa điện dung W đd trên động cơ (2JZ-GTE)

Qua khảo sát ở chương 3 về quan hệ giữa thời gian tích trữ năng lượng và sự tăng trưởng của dòng điện, ta nhận thấy rằng khi số vòng quay càng cao thời gian tích lũy năng lượng càng ngắn lại Ở những số vòng quay cao cụ thể là khoảng 6000 vòng/phút, thời gian để tích lũy năng lượng chỉ còn khoảng 2.2ms (Hình 3.3) Thời gian này không đủ để dòng điện đạt giá trị bão hòa Dựa vào dữ liệu thu thập được từ dao động ký Pico Automotive Oscilloscope và các giá trị nội suy, ta sử dụng giá trị dòng điện I= 3.613A tại thời gian 2.2ms (Hình 3.5) để tính toán các giá trị năng lượng tích lũy W L , W đd , W đc (trên một bobin), thể hiện trên đồ thị Hình 4.13 nhằm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên động cơ

(2JZ-GTE) ở số vòng quay cao nhất (6000 vòng/phút).

Hình 4.13: Sự thay đổi của năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của bobin W L , năng lượng tích lũy trên tụ điện W đd và năng lượng phục vụ đánh lửa điện cảm W đc theo điện dung của tụ C.

Do tụ điện C trên mạch không tham gia vào quá trình tăng trưởng của dòng điện sơ cấp nên khi giữ nguyên các thông số của bobin (đánh lửa điện cảm), năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của bobin ở cuối quá trình tích lũy năng lượng sẽ là W L = 10.12 mJ

W đd : Năng lượng tích lũy trên tụ điện C ở mạch đánh lửa điện cảm phụ thuộc vào giá trị dung lượng của tụ C và giá trị cực đại của sức điện động tự cảm V 1m Tuy nhiên, khi tăng dung lượng tụ thì giá trị cực đại của V 1 sẽ giảm Do đó năng lượng tích lũy trên tụ sẽ đạt giá trị cực đại tại một giá trị dung lượng nhất định của tụ, sau đó giảm dần.

W đc : Năng lượng còn lại phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện cảm ( đ = − đ ) Do W L là hằng số khi thay đổi dung lượng của tụ C1 nên W đc có xu hướng ngược lại với diễn biến của W đd

Dựa vào Hình 4.13, ta nhận thấy với số vòng quay cao, việc tích lũy năng lượng trên động cơ (2JZ–GTE) khá kém (khoảng 10mJ).

Do tính chất tăng trưởng dòng điện của bobin trên động cơ (2JZ – GTE), thời gian để dòng điện đạt giá trị bão hòa là lâu Ở các số vòng quay lớn, thời gian tích lũy năng lượng ngắn dẫn đến giá trị I không đạt giá trị bão hòa nên ở số vòng quay lớn thì năng lượng tích lũy được thấp (Hình 4.13), không thỏa mãn đủ năng lượng đánh lửa để áp dụng vào nghiên cứu chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm.

Vì vậy nhóm nghiên cứu đề xuất phương án như sau:

- Sử dụng bobin của hệ thống đánh lửa trên động cơ Toyota 1MZ-FE Vì ở bobin này có hệ số tự cảm nhỏ, dẫn đến quy luật tăng trưởng dòng điện sẽ nhanh đạt đến trạng thái bão hòa, ở các số vòng quay làm việc khác nhau của động cơ.

- Sử dụng các transistor rời nhằm tạo ra thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp của bobin.

- Sử dụng ECU trên động cơ nguyên thủy để có được các tín hiệu điều khiển đánh lửa như thiết kế ban đầu.

Giới thiệu mô hình khảo sát thay thế hệ thống đánh lửa trên động cơ (2JZ-GTE)

Trên Hình 4.14 là mô hình đánh lửa thay thế đã được xây dựng gồm có một bobin gắn trực tiếp với một bugi để đánh lửa khi có tín hiệu IGT, một cụm transitor đóng vai trò đóng ngắt dòng điện sơ cấp và một bộ phát xung PWM đóng vai trò cung cấp một xung điện để điều khiển đánh lửa như tín hiệu IGT trên động cơ trong thực tế.

Hình 4.14: Mô hình đánh lửa thay thế hệ thống đánh lửa trên động cơ

(2JZ-GTE) Cụm transitor được mắc dưới dạng Darlington như Hình

4.15, transistor KSE340 (T1) được mắc trước transistor M10005r (T2) nhằm tạo ra dòng kích đủ lớn để M10005r có thể dẫn bão hòa Thông số của 2 transitor này được thể hiện trong Bảng 4.1:

Hình 4.15: Cụm transitor mắc Darlington trong mô hình đánh lửa thay thế. Bảng 4.1: Thông số làm việc của transitor sử dụng trong mô hình đánh lửa thay thế.

Thông số Điện áp giữa 2 chân

Hệ số khuếch đại h FE 30 đến 240 40 đến 400

Các thông số của mô hình khảo sát được trình bày theo bảng sau.

Bảng 4.2: Các thông số của mô hình khảo sát.

Thông Điện áp hệ Tổng trở mạch Hệ số tự cảm

Hệ số khuếch của cuộn sơ số thống (V) sơ cấp (Ω)) đại của bobin cấp (H)

Đáp ứng mô hình toán trên mô hình khảo sát

4.6.1 Đáp ứng dòng điện sơ cấp và điện áp sơ cấp thực nghiệm khi sử dụng mô hình khảo sát

4.6.1.1 Đáp ứng thực nghiệm t đ = 5.5ms

Hình 4.16: Đáp ứng thực nghiệm của mô hình đánh lửa thay thế ở thời gian

Trước thời điểm , mạch ở trạng thái nghỉ nên 1 = 0 (Hình 4.16) Từ thời điểm , transistor công suất T dẫn điện, 1 tăng theo hàm mũ từ 0 đến giá trị 6.728A và duy trì đến khi transistor T ngắt ( = đ ) Trong khoảng thời gian − tương đương với khoảng thời gian tích lũy năng lượng từ trường trong cuộn sơ cấp đ = 5.5ms, sức điện động tự cảm 1 (cũng là điện áp trên tụ C) bằng với điện áp bão hòa V CE.sat của transistor T nên có giá trị gần bằng 0.

Từ thời điểm đ , transistor ở trạng thái off (đóng) nên 1 giảm đột ngột, sinh ra điện áp tự cảm lớn Điện áp 1 vì thế tăng vọt từ gần bằng 0 tiến đến giá trị đỉnh khoảng 194V Trong lúc 1 tăng trưởng, tụ 1 được nạp điện và một phần năng lượng từ trường trong cuộn sơ cấp được chuyển thành năng lượng điện trường tích lũy trong tụ 1 Tương ứng với giá trị V 1 , điện áp trên cuộn thứ cấp của bobin đạt đến giá trị V 2 = V đl (điện áp đánh lửa) Khi tia lửa xuất hiện giữa hai điện cực của bugi kéo theo sự biến đổi năng lượng điện thành nhiệt năng bức xạ bởi hồ quang điện, tổn hao từ thông trên bobin và tổn thất nhiệt trên các điện trở có mặt trong mạch thứ cấp Năng lượng đã tích lũy trong cuộn sơ cấp bị tiêu tán nhanh nên dòng điện sơ cấp 1 và sức điện động 1 tắt nhanh.

4.6.1.2 Đánh giá dòng điện sơ cấp i 1

Khảo sát dòng điện sơ cấp ở thời gian tích lũy năng lượng t đ =3.5ms – tương ứng với số vòng quay khoảng 3000 vòng/phút khi động cơ hoạt động, thì dòng điện có dạng như Hình 4.17:

Hình 4.17: Dòng điện sơ cấp thực nghiệm ở thời gian tích lũy năng lượng t đ =3.5ms.

Qua khảo sát thấy được dòng điện sơ cấp nhanh chóng đạt giá trị bão hòa, để đạt được dòng điện cực đại = 6.98 thì thời gian tăng trưởng dòng điện chỉ là

= 1.226 (Hình 4.18) Từ kết quả khảo sát ở chương 3, số vòng quay cao nhất của động cơ khoảng 6000 vòng/phút thì thời gian tích lũy năng lượng đ là khoảng 2.2ms Do đó khi ở số vòng quay cao nhất, dòng điện sơ cấp đã đạt giá trị cực đại = 6.98 Như vậy có thể xem cưởng độ dòng điện lúc ngắt luôn đạt giá trị = 6.98

Hình 4.18: Thời gian dòng điện sơ cấp thực nghiệm đạt cực đại t imax

4.6.2 Đáp ứng dòng điện sơ cấp i 1 và điện áp sơ cấp V 1 tính toán từ mô hình

4.6.2.1 Đáp ứng tính toán từ mô hình chưa qua hiệu chỉnh

Từ các thông số của mô hình đánh lửa thay thế đã được trình bày ở Bảng 4.2, đáp ứng tính toán dòng điện sơ cấp 1 và điện áp sơ cấp 1 theo công thức (4.3) và (4.4) ở thời gian tích lũy năng lượng đ = 3.5 được thể hiện trên Hình 4.19 và Hình 4.20:

Hình 4.19: Đáp ứng tính toán dòng điện sơ cấp 1 ở thời gian tích lũy năng lượng t đ =3.5ms - công thức (4.3).

Từ Hình 4.19 ta thấy dòng điện sơ cấp 1 tăng trưởng theo hàm mũ và giảm nhanh đột ngột khi transitor công suất ngắt Do không xét đến quá trình biến đổi năng lượng điện và các tổn hao mạch thứ cấp, 1 vì thế dao động lớn và tắt dần chậm.

Hình 4.20: Đáp ứng tính toán điện áp sơ cấp 1ở thời gian tích lũy năng lượng t đ =3.5ms - công thức (4.4).

Tương tự như đáp ứng dòng điện sơ cấp 1 , đáp ứng tính toán điện áp sơ cấp 1 cũng thể hiện cùng tính chất mạch điện: Dao động lớn và tắt dần chậm Vì lý do này nên điện áp cực đại đạt gần 265V thay vì xấp xỉ 194V như thực nghiệm Vì điện áp sơ cấp được tính toán từ thời điểm ngắt dòng sơ cấp đ = 3.5 bằng cách đạo hàm trực tiếp dòng điện sơ cấp 1 , do đó điện áp xác lập có giá trị 0V thay vì 12.53V như thực nghiệm.

4.6.2.2 Đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh Để xác thực tính hợp lệ của mô hình toán đã xây dựng cần tiến hành xác định được bộ hệ số hiệu chỉnh 0 và 0 phù hợp sao cho các đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh

(công thức 4.5 và 4.6) có thể bám sát theo đáp ứng thực nghiệm.

Hình 4.21 và 4.22 trình bày đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh trên mô hình đánh lửa rời sử dụng transitor công suất với 0 = 1 và 0 = 7.

Các phương trình 1 ( ) và 1 ( ) sau hiệu chỉnh:

Hình 4.21: Đáp ứng tính toán dòng điện sơ cấp 1 ở thời gian tích lũy năng lượng t đ = 3.5ms sau hiệu chỉnh – công thức (4.14).

Hình 4.22: Đáp ứng tính toán điện áp sơ cấp 1ở thời gian tích lũy năng lượng t đ = 3.5ms sau hiệu chỉnh – công thức (4.15).

4.6.3 Đánh giá độ chính xác của mô hình đánh lửa hỗn hợp đã xây dựng

Bộ hệ số hiệu chỉnh đã được xác định là 0 = 1 và 0 = 7.

Sử dụng cùng bộ hệ số hiệu chỉnh ở các thời gian tích lũy năng lượng đ khác nhau Sau khi hiệu chỉnh, dòng điện sơ cấp bão hòa trước khi ngắt dòng sơ cấp 1m xác định từ mô hình hiệu chỉnh có sai lệch khoảng 2% so với giá trị thực nghiệm (Hình 4.23) Đối với giá trị điến áp cực đại V1m, sai số về các số liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm lớn nhất khoảng 1% (Hình 4.24).

Hình 4.23: So sánh cực đại cường độ dòng điện sơ cấp i 1m theo lý thuyết và thực nghiệm ở các thời gian tích lũy năng lượng sơ cấp đ khác nhau.

Hình 4.24: So sánh cực đại sức điện động tự cảm V 1m theo lý thuyết và thực nghiệm ở các thời gian tích lũy năng lượng sơ cấp đ khác nhau.

Ảnh hưởng của dung lượng tụ điện đến điện áp thứ cấp cực đại V 2m

Đối với động cơ đánh lửa trực tiếp điện áp đánh lửa V đl thường có giá trị từ 6-14kV để có thể chọc thủng khe hở hòa khí và hình thành tia lửa điện trên bugi Tuy nhiên, để bảo đảm tính ổn định trên hệ thống, giá trị cực đại của điện áp thứ cấp V 2m > V đl để đảm bảo xuất hiện tia lửa điện Để có một hệ số dự trữ nhất định V 2m thường nằm trong khoảng: 15-40kV.

Sự thay đổi điện áp cực đại 1 khi thay đổi dung lượng tụ 1 được biểu diễn như

Hình 4.25: Quan hệ giữa dung lượng tụ 1 và điện áp sơ cấp cực đại 1 trên mô hình khảo sát.

Ta có điện áp thứ cấp cực đại V 2m được xác đinh như sau:

 K bb = Hệ số biến áp bobin ( = 85)

Từ Hình 4.25 ta thấy, khi tăng dung lượng C, tụ điện đóng vai trò tích lũy môt phần năng lượng tự cảm, điện áp điện áp thứ cấp cực đại V 2m có xu hướng giảm dần.

Hình 4.26: Quan hệ giữa dung lượng tụ 1 và điện áp thứ cấp cực đại 2 trên mô hình khảo sát.

Khảo sát ảnh hưởng của điện dung tụ C 1 đến năng lượng đánh lửa điện cảm W đc và năng lượng đánh lửa điện dung W đd trên mô hình khảo sát

W đc và năng lượng đánh lửa điện dung W đd trên mô hình khảo sát

Như đã trình bày trong phần 4.6.1.2, vì thời gian dòng điện sơ cấp đạt cực đại khá ngắn(1.226ms) nhỏ hơn so với thời gian tích lũy năng lượng ở số vòng quay cao nhất 6000 vòng/ phút (2.2ms) nên có thể sử dụng giá trị cực đại dòng điện I max =6.98A để tính toán các giá trị năng lượng tích lũy W L , W đd , W đc (trên một bobin), thể hiện trên đồ thị Hình 4.27:

Hình 4.27: Sự thay đổi của năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của bobin W L , năng lượng tích lũy trên tụ điện W đd và năng lượng phục vụ đánh lửa điện cảm W đc theo điện dung của tụ C.

Do tụ điện C trên mạch không tham gia vào quá trình tăng trưởng của dòng điện sơ cấp nên khi giữ nguyên các thông số của bobin (đánh lửa điện cảm), năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của bobin ở cuối quá trình tích lũy năng lượng (dòng điện i 1 đạt giá trị cực đại) W L = 42.63mJ.

W đd : Năng lượng tích lũy trên tụ điện C ở mạch đánh lửa điện cảm phụ thuộc vào giá trị dung lượng của tụ C và giá trị cực đại của sức điện động tự cảm V 1m Tuy nhiên, khi tăng dung lượng tụ thì giá trị cực đại của V 1 sẽ giảm Chính vì thế năng lượng tích lũy trên tụ sẽ đạt giá trị cực đại tại một giá trị dung lượng nhất định của tụ, sau đó giảm dần.

W đc : Năng lượng còn lại phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện cảm ( đ = − đ ) Do W L là hằng số khi thay đổi dung lượng của tụ C1 nên W đc có xu hướng ngược lại với diễn biến của W đd

4.9 Cơ sở lựa chọn cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp và dung lượng tụ phù hợp

Hình 4.28: Hệ thống đồ thị phục vụ xác định dung lượng tụ C trên mô hình khảo sát.

4.9.1 Giới thiệu các cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp

Cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp được đặc trưng bởi hệ số: N/1.

Trong đó: N là số bobin đánh lửa điện cảm được dùng để nạp năng lượng cho một bobin đánh lửa điện dung.

Với cấu hình 1/1 (N=1), qua kết quả khảo sát ảnh hưởng của tụ C đến các năng lượng đánh lửa (nội dung 4.7), năng lượng phục vụ đánh lửa điện dung W đ dΦ càng lớn, thì năng lượng điện cảm W đ c càng giảm Để đảm bảo tia lửa điện cảm có đủ năng lượng đốt cháy hòa khí ta sử dụng cấu hình 2/1 hoặc 3/1 để khắc phục trở ngại này Tuy nhiên, nếu N càng lớn thì hiệu quả tiết kiệm năng lượng càng giảm.

Bên cạnh đó, dung lượng tụ C có ảnh hưởng đến điện áp thứ cấp cực đại 2 là điện áp đảm bảo xuất hiện được tia lửa điện.

Vì vậy, với một động cơ có số xy-lanh cụ thể, chọn lựa cấu hình N/1 và điện dung tụ điện C phù hợp có ý nghĩa quan trọng, đảm bảo luôn hình thành được tia lửa điện ban đầu và năng lượng phải đủ lớn để đốt cháy hòa khí ở cả hai giai đoạn đánh lửa điện cảm và giai đoạn đánh lửa điện dung, giúp động cơ hoạt động ổn định với tổn thất năng lượng cho hệ thống đánh lửa thấp nhất.

4.9.2 Xác định dải dung lượng của tụ C phù hợp cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp khi ứng dụng mô hình khảo sát

Từ các lý luận trên phần 4.9.1 ta thấy: Dung lượng của tụ C sử dụng trên hệ thống đánh lửa hỗn hợp phải thỏa mãn đồng thời các yêu cầu sau:

1 Điện áp thứ cấp V 2m phải đủ lớn để có thể có thể hình thành tia lửa phóng qua hai điện cực của bugi, V 2m > V 2lim = 15kV (với động cơ xăng đánh lửa trực tiếp, có hệ dư lượng không khí ~1 điện áp đánh lửa yêu cầu từ: V đl = 6-14kV) [11], tức là dung lượng tụ được chọn không được vượt quá 1.32F.

2 Bảo đảm cả hai giai đoạn đánh lửa điện dung và đánh lửa điện cảm có đủ năng lượng để đốt cháy được hòa khí Giá trị năng lượng đánh lửa tối thiểu phải đạt 15mJ [11]. Tuy nhiên, để có phần năng lượng dự trữ, ta chọn giá trị năng lượng tối thiểu

Với các yêu cầu đã nêu và các thông số từ Bảng 4.2, qua hệ thống đồ thị trên Hình

- Cấu hình 1/1 không phù hợp, vì năng lượng tích lũy trên tụ điện W đ dΦ < W min =

20mJ, không thỏa mãn năng lượng đánh lửa cho giai đoạn đánh lửa điện dung.

- Cấu hỡnh 2/1 cú thể chọn dung lượng của tụ cú giỏ trị: 0.105 – 1.32àF để phự hợp với yêu cầu 1 Trong dải dung lượng của tụ này, các giá trị 2W đd và W đc > W min = 20mJ, thỏa mãn năng lượng đánh lửa cho cả hai giai đoạn đánh lửa điện cảm và điện dung (yêu cầu 2).

- Cấu hỡnh 3/1 cú thể chọn dung lượng của tụ cú giỏ trị: 0.062- 1.32àF để thỏa yờu cầu

1 Vì trong dải dung lượng của tụ này, các giá trị 3W đd và W đc > W min = 20mJ cũng thỏa mãn năng lượng đánh lửa cho cả hai giai đoạn điện cảm và điện dung (yêu cầu 2).

Bảng 4.3: Mô tả các cấu hình của hệ thống đánh lửa hỗn hợp.

Bobin ĐL điện cảm Bobin ĐL điện dung

Cấu hình 2/1 Động cơ 6 xy-lanh (2JZ-GTE)

Cấu hình 3/1 Động cơ 6 xy-lanh (2JZ-GTE)

Bảng 4.3 cho thấy khả năng tiết kiệm năng lượng cho động cơ khi sử dụng các cấu hình khác nhau.

Khi sử dụng cấu hình 2/1, khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống sẽ tăng lên tuy nhiên lúc này năng lượng tích lũy phục vụ cho đánh lửa điện dung chỉ là 2W đ dΦ = 37.3mJ (ứng với tụ 1 ) Khi sử dụng cấu hình 3/1, khả năng tiết kiệm năng lượng sẽ giảm xuống, nhưng năng lượng phục vụ cho đánh lửa điện dung lúc này lên tới 3W đ dΦ U.95mJ (ứng với tụ 1F), khả năng dự trữ năng lượng sẽ tốt hơn.

Ngoài ra, khi giảm dung lượng của tụ sẽ làm tăng điện áp tự cảm Điều này có khả năng làm hỏng thiết bị đóng ngắt [11].

Xác định thông số của tụ điện

Các thông số của tụ điện tích lũy năng lượng phải có:

 Dung lượng của tụ điện được chọn một giá trị nhất định trong dải dung lượng tùy thuộc vào cấu hình của hệ thống đánh lửa hỗn hợp:

 Cấu hỡnh 2/1: dung lượng tụ chọn trong khoảng 0.105 – 1.32àF.

 Cấu hỡnh 3/1: dung lượng tụ chọn trong khoảng 0.062 – 1.32àF.

 Điện áp làm việc của tụ điện V mtđ : Để không làm hỏng tụ điện, điện áp làm việc của tụ điện phải thoả điều kiện lớn hơn giá trị điện áp cực đại ứng với dung lượng tụ nhỏ nhất trong khoảng chọn (0,062àF):

Trong đó: V mtđ : Điện áp làm việc lớn nhất của tụ điện.

V 1m : Điện áp tự cảm lớn nhất của sức điện động tự cảm trên biến áp đánh lửa tự cảm.

 Nhiệt độ làm việc: Hệ thống đánh lửa được bố trí trong khoang động cơ có nhiệt độ khoảng 80 0 C, tốt hơn hết chọn nhiệt độ làm việc của tụ điện T từ -40 0 C đến