NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID

NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID NGHIÊN cứu mô HÌNH ĐÁNH lửa HYBRID

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH ĐÁNH LỬA HYBRID A STUDY OF HYBRID IGNITION SYSTEM IN SI ENGINES Đỗ Quốc Ấma, Đỗ Văn Dũngb, Lê Khánh Tânc Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM a amdq@hcmute.edu.vn, b dodzung@hcmute.edu.vn, c tanlk@hcmute.edu.vn TÓM TẮT Hệ thống đánh lửa ôtô dùng để đốt cháy hỗn hợp động xăng Dựa vào phương pháp tích lũy lượng, hệ thống đánh lửa chia làm hai loại: hệ thống đánh lửa điện dung, hệ thống đánh lửa điện cảm Mặc dù chúng giống cách tạo tia lửa điện cao áp, khác biệt chúng phương pháp tích lũy lượng Bài báo trình bày nghiên cứu mô hình hệ thống đánh lửa bao gồm hai kiểu đánh lửa riêng biệt, lần đánh lửa điện cảm, lượng tự cảm “thừa” tích lũy vào hay nhiều tụ điện phần lượng sử dụng vào trình đánh lửa điện dung Việc tận dụng lượng tự cảm giúp tiết kiệm lượng sử dụng hệ thống đánh lửa Qua giúp tiết liệm nhiên liệu sử dụng giảm phát thải ôtô Từ khóa: tích lũy lượng, đánh lửa điện dung, đánh lửa điện cảm, đánh lửa lai, khí xả ABSTRACT The ignition system is used to ignite the air-fuel mixture in gasoline engines Basing on the way of energy-accumulation, the ignition system is divided into two categories: capacitordischarged ignition system and inductive-discharged ignition system Although they have similarities in creating high-voltage spark, the energy-accumulation method is different This paper will present a model of ignition system consists of two separate types of ignition During the inductance-discharged stage, the ecessive energy will be accumulated in one or more capacitors and use this energy for the next capacitive-discharged stage The utilising of the excessive inductance energy will help to save energy and to reduce the emissions Keywords: energy-accumulation, capacitor- discharged ignition, inductive-discharged ignition, hybrid ignition system, emission GIỚI THIỆU Hệ thống đánh lửa động đốt sử dụng nhiên liệu xăng, có nhiệm vụ biến điện áp từ accu có giá trị 12V hay 24V, thành xung điện cao có giá trị đạt đến 45.000V, đồng thời phân phối đến bu-gi theo thời điểm thứ tự yêu cầu động [1,2] Khi hệ thống làm việc, vào cuối trình tích lũy lượng, cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa (bo-bin) xuất sức điện động tự cảm có giá trị (từ 100-300V) [1] Điện áp tự cảm phóng qua thiết bị đóng ngắt làm kéo dài trình ngắt dòng sơ cấp Qua đó, làm giảm điện thứ cấp, hỏng thiết bị đóng ngắt gây nhiễu đến thiết bị điện điện tử khác ô tô Ở hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện cảm – điện dung tác giả đề xuất, lần đánh lửa điện cảm lượng tự cảm “thừa” tích lũy vào tụ điện sử dụng lại lượng cho lần đánh lửa điện dung Với ý tưởng này, tác động tiêu cực nêu khắc phục tiết kiệm lượng sử dụng hệ thống 411 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ĐÁNH LỬA TRÊN CÁC ĐỘNG CƠ HIỆN ĐẠI 2.1 Quá trình hình thành tia lửa điện Các nghiên cứu Maly Vogel (1978) chia trình hình thành tia lửa điện hai điện cực bu-gi chia làm ba giai đoạn chính: ion hóa (đánh thủng), hình thành tia lửa điện gia nhiệt [3] • Giai đoạn đánh thủng Giai đoạn đặc trưng điện áp cao (xấp xỉ 10kV) Cực đại cường độ dòng điện đạt xấp xỉ 200A, thời gian ngắn (khoảng 10 ns), hình thành kênh ion hóa điện cực bugi (đường kính khoảng 40 µm), toàn lượng truyền qua kênh dẫn Đồng thời, nhiệt độ áp suất buồng đốt tăng lên nhanh đạt mức xấp xỉ 60000K vài trăm atm Khi sóng xung kích lan truyền ngoài, kênh dẫn mở rộng ra, kết nhiệt độ áp suất giảm, 30% lượng plasma kênh dẫn bị tiêu tán sóng xung kích Hình Đồ thị thể mối quan hệ điện áp, cường độ dòng điện thời gian đánh lửa hệ thống đánh lửa • Giai đoạn phóng tia lửa điện Điện đạt khoảng 50V, cường độ dòng điện phụ thuộc vào điện trở môi trường đánh lửa Nhiệt độ cột khí cháy vào khoảng 6000K Năng lượng trì tia lửa điện hai điện cực chiếm khoảng khoảng 50% • Giai đoạn gia nhiệt Ở giai đoạn này, cường độ dòng điện nhỏ 200mA, điện áp cathode khoảng (300 ÷ 500 V), ion hóa giảm 0,01% Nhiệt độ hòa khí cao 3000K Năng lượng yêu cầu để đốt cháy tỷ lệ hòa khí lý thuyết điều kiện vận hành bình thường khoảng 0,2 mJ động Đối với hỗn hợp giàu hay nghèo hơn, tỷ lệ lý tưởng lượng yêu cầu lớn (3 mJ) Nhưng mát, phần nhỏ lượng cung cấp qua khe hở truyền đến hỗn hợp nhiên liệu Trên thực tế, yêu cầu lượng hệ thống từ 30-50mJ Trong giai đoạn xuyên thủng, công suất đạt mức cao (1MW) lượng cung cấp nhỏ (0,3 ÷ mJ) Cuối giai đoạn xuyên thủng cathode nóng lên chuyển sang giai đoạn phóng tia lửa điện Vì thế, tổn thất tổn thất nhiệt cực quan trọng Trong giai đoạn gia nhiệt công suất thấp (xấp xỉ 10W), lượng tiêu hao đạt mức cao (30 ÷ 100mJ) 2.2 Hệ thống đánh lửa điện cảm Được phát minh Kettering vào năm 1908 [4], hệ thống đánh lửa điện cảm sử dụng phổ biến động đốt sử dụng nhiên liệu xăng Hiện nay, với nhiều biến thể khác như: hệ thống đánh lửa bán dẫn (transistorized), hệ thống đánh lửa theo chương trình (programmed ignition), hệ thống đánh lửa trực tiếp (direct ignition), hệ thống đánh lửa điện 412 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV cảm sử dụng rộng rãi ôtô [5] Ở hệ thống đánh lửa này, lượng hệ thống tích lũy dạng lượng điện cảm Hoạt động hệ thống trục khuỷu quay, tiếp điểm K (công tắc hay transitor) điều khiển đóng ngắt Hệ thống thực hai trình sau: • Quá trình tích lũy lượng Khi tiếp điểm K đóng, dòng điện từ + accu qua cuộn dây sơ cấp tăng trưởng dạng hàm mũ từ không giá trị định i [1] U 1 − e τ R  −t i=     (1) L : số R hệ thống; L: hệ số tự cảm, R: điện trở mạch sơ cấp Năng lượng tích lũy hệ thống Li tiếp điểm ngắt Q= ; i: cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp thời điểm tiếp điểm ngắt Trong đó: U: điện nguồn; t: thời gian dòng điện qua cuộn sơ cấp; τ = • Quá trình ngắt dòng sơ cấp Khi tiếp điểm K ngắt dòng điện sơ cấp từ thông sinh đột ngột, cuộn thứ cấp biến áp đánh lửa sinh hiệu điện vào khoảng 15- 40KV [1], tạo tia lửa điện hai điện cực bu-gi nhằm đốt cháy hỗn hợp lòng xy-lanh • Ưu nhược điểm hệ thống đánh lửa điện cảm Ưu điểm - Cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy - Thời gian phóng điện dài (1-2ms) [1] Nhược điểm - Thời gian tích lũy lượng dài - Thời gian phóng điện phụ thuộc vào lượng tích lũy - Điện áp thứ cấp tăng trưởng chậm 300 ~ 500 V / ms [16] 2.3 Hệ thống đánh lửa điện dung Đánh lửa điện dung (CDI) đánh lửa thyristor sử dụng rộng rãi xe gắn máy, loại động nhỏ số ô tô khác Ban đầu, phát triển để khắc phục nhược điểm thời gian tích lũy lượng dài hệ thống đánh lửa điện cảm, điều làm cho chúng thích hợp động tốc độ cao [16,17] Đặc trưng hệ thống tích lũy lượng tụ điện giải phóng dòng lượng thời gian ngắn (vào khoảng 0,1-0,4 ms) [1] nhằm tạo tia lửa điện bu-gi Nikola Tesla xem người sáng chế hệ thống đánh lửa điện dung Hệ thống ứng dụng ô tô Ford model K vào năm 1906 [16] a) b) Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện cảm (a), điện dung (b) 413 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV • Nguyên lý làm việc Trên hệ thống CDI, tụ tích lũy điện áp cao từ mạch nạp, tụ ngưng nạp Năng lượng từ tụ phóng qua cuộn dây tạo tia lửa bu-gi Nếu tụ nạp tới điện áp U điện dung tụ C, lượng lưu trữ tụ tính theo công thức: Q= CU 2 (2) • Ưu điểm nhược điểm hệ thống đánh lửa điện dung Ưu điểm - Thời gian tích lũy lượng ngắn Vì vậy, đặc tính đánh lửa không phụ thuộc vào số vòng quay động [1] - Điện thứ cấp cao nên thích hợp với động có áp suất buồng đốt lớn [17] - Hiệu điện thứ cấp tăng trưởng nhanh nên (từ ~ 10 kV / ms), độ nhạy đánh lửa tăng, bị ảnh hưởng điện trở rò bu-gi [1,16] Nhược điểm - Khó khởi động động tích công tác lớn (0,3-0,4 ms) [1,11] - Thời gian trì tia lửa điện bu-gi ngắn từ 50-80 μs [1,16] 2.4 Hệ thống đánh lửa Hybrid Hệ thống đánh lửa Hybrid, gọi hệ thống đánh lửa lai, hệ thống kết hợp hai kiểu đánh lửa điện dung điện cảm Có nhiều biến thể hệ thống đánh lửa lai Tuy nhiên, nghiên cứu thường tập trung vào việc kéo dài thời gian xuất tia lửa bu-gi, nhằm kéo dài thời gian tiếp xúc tia lửa điện với hỗn hợp hòa khí, giúp cho trình cháy xảy dễ dàng [12,13,14], hay thực chuyển mạch đánh lửa điện dung, điện cảm chế độ làm việc khác động cơ, nhằm tận dụng ưu điểm hạn chế khuyết điểm kiểu đánh lửa [15] MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID CÓ KHẢ NĂNG TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM Mô hình hệ thống đánh lửa Hybrid (hỗn hợp điện cảm- điện dung) có khả tích lũy lượng tự cảm cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa trình bày hình Trên mô hình tích hợp hai hệ thống đánh lửa điện cảm điện dung sử dụng hai biến áp đánh lửa, transistor T1, T2 đóng vai trò công tắc điều khiển chế độ đánh lửa (điện dung hay điện cảm) Bộ điều khiển lập trình với vi xử lý Arduino 3.1 Nguyên lý hoạt động • Chế độ đánh lửa điện cảm Bộ điều khiển tác động vào kênh kênh để mở Transistor T1 T2, dòng điện từ + accu qua cuộn sơ cấp bo-bin, hình thành trình tích lũy lượng hệ thống Cuối trình này, Transistor T1 T2 bị ngắt, dòng điện qua cuộn sơ cấp bo-bin bị cách đột ngột, lúc cuộn thứ cấp biến áp đánh lửa (bo-bin) hình thành xung điện cao áp có khả đốt cháy hòa khí Sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp bo-bin tích lũy vào tụ điện C 414 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV + 12 V T1 Bo-bin Kênh T2 Kênh Kênh Bu-gi SCR Bo-bin C Bu-gi Hình Mô hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm có khả tích lũy lượng tự cảm • Chế độ đánh lửa điện dung Qua kênh 3, điều khiển tác động vào SCR, lúc lượng tích lũy từ tụ điện C phóng qua cuộn sơ cấp bo-bin làm xuất tia lửa bu-gi 3.2 Các kết thực nghiệm Các thực nghiệm xác định điện sử dụng thiết bị đo Picoscope PP537 chuyên dụng ô tô Các thông số hệ thống: tụ điện có dung lượng C = μF; số lượng tụ= 1; điện làm việc hệ thống U = 12,54V; biến áp đánh lửa có R= 1,2V; hệ số tự cảm L= 2, 765mH; thời gian tích lượng t ng = 2,67ms a) b) a) Điện áp tự cảm bo-bin b) Điện áp tụ Hình Điện áp bo-bin (a) hai cực tụ điện (b) a) b) c) Hình Dạng sóng dòng điện (a), điện áp qua cuộn sơ cấp bo-bin đánh lửa điện cảm (b) điện áp bo-bin đánh lửa điện dung (c) mô hình sử dụng tụ điện Các kết thực nghiệm cho thấy, dùng tụ có dung lượng C=2μF, cực đại điện áp sơ cấp bo-bin không thay đổi (hình 4), để điện áp tụ đạt giá trị bão hòa tụ cần hai lần nạp (hình 4) Với thời gian tích lũy lượng t ng = 2,67 ms cực đại dòng 415 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV điện qua cuộn sơ cấp I= 3,345A (hình 5), lượng đánh lửa điện cảm Q L = LI2/2= 15, 55 mJ Đồng thời, lượng tích lũy tụ đạt giá trị Q C = CU2/2= 9,36mJ 3.3 Mô hình tích lũy sử dụng nhiều tụ điện Theo nghiên cứu lượng đánh lửa, hỗn hợp đồng nhất, ổn định có tỷ lệ A/F lân cận 14,7/1 lượng yêu cầu 0,2mJ Đối với hỗn hợp nghèo hay giàu lượng đánh lửa, yêu cầu 3mJ [3,6,7,8] Ngoài ra, động hâm nóng, lượng yêu cầu khoảng 1mJ [9] Đối với hệ thống đánh lửa thông thường, lượng đánh lửa 15mJ [7] Tuy nhiên, để tăng khoảng thời gian trì tia lửa bu-gi tính mát hệ thống (rò rỉ bu-gi, dây cao áp…), lượng từ 30-50mJ [3,4,6,7,10] Đối với hệ thống đánh lửa dùng động phun xăng trực tiếp, lượng vào khoảng 100mJ[7] Từ sở trên, đề phương án tích lũy sau: hệ thống sử dụng tụ có dung lượng giống (2µF) mắc song song Để bảo đảm điện cuộn sơ cấp không bị ảnh hưởng, tụ nạp theo trình đánh lửa điện cảm Khi đánh lửa điện dung, tụ điều khiển phóng đồng thời vào cuộn sơ cấp bo-bin Như vậy, lượng phóng thích là: Q C = 9,36 x 4=37,44mJ Trên sở đề hai mô hình tích lũy sau: Mô hình mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt Mô hình mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo-bin Với mô hình sức điện động tự cảm từ các lần đánh lửa điện cảm tích lũy vào tụ điện C i , số lần nạp tụ tính toán cho điện tụ đạt giá trị bão hòa (số lượng tụ phụ thuộc vào yêu cầu lượng đánh lửa) +12V Bo.bin Bo.bin Bộ điều khiển Hình Mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt +12V Bo.bin Bộ điều khiển Hình7 Mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo-bin 416 107,9V 116,8V Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 104.0V 114.8V Hình Dạng sóng sơ cấp mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt Hình Dạng sóng sơ cấp mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo-bin Ở mô hình đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin thực đánh lửa hai bo-bin riêng biệt nên ta chọn lựa bo-bin cho kiểu đánh lửa dễ dàng hơn, lúc việc điều khiển đánh lửa phức tạp Với mô hình sử dụng bo-bin việc điền khiển đơn giản Tuy nhiên, việc lựa chọn bo-bin thích hợp cho hai kiểu đánh lửa điện dung đánh lửa điện cảm vấn đề phải quan tâm KẾT LUẬN - Các nghiên cứu trình bày báo đưa mô hình hệ thống đánh lửa lai (điện cảm- điện dung) có khả thu hồi sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa (ở chế độ đánh lửa điện cảm) sử dụng lại lượng đánh lửa điện dung Tụ điện hệ thống nhiệm vụ bảo vệ cho transistor công suất, đóng vai trò thiết bị thu hồi lượng tự cảm thừa hệ thống - Các thực nghiệm cho thấy với điện làm việc hệ thống U = 12 54 V, hệ số tự cảm cuộn sơ cấp bo-bin L= 2,765mH, hệ thống sử dụng tụ (với dung lượng tụ C = 2μF, tụ nạp no điện tụ đạt giá trị U C = 96,47V, lượng tích lũy Q C = 37,44mJ, giá trị đủ để thực lần đánh lửa động Như vậy, lần đánh lửa điện cảm ta thực lần đánh lửa điện dung - Năng lượng tích lũy cho lần đánh lửa không lớn (khoảng 30mJ) Tuy nhiên, lượng sử dụng hệ thống đánh lửa lấy từ accu, với nhiều tổn thất trình tích lũy lượng (hiệu suất làm việc động xăng, hiệu suất làm việc máy phát điện, hiệu tích lũy accu mát khác) cho thấy việc tích lũy lượng tự cảm có ý nghĩa lớn - Với mô hình đánh lửa hỗn hợp trình bày, việc điều khiển số lần nạp tụ, số tụ tham gia trình tich lũy lượng tự cảm, chế độ đánh lửa (điện dung, điện cảm) hoàn toàn thay đổi được, điều tăng tính thích ứng hệ thống đánh lửa đề xuất ứng với động khác - Việc tính toán chọn thông số tốt tụ cần phải tiếp tục thực để tăng hiệu làm việc hệ thống đánh lửa đề xuất 417 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Từ kết thực hiện, mô hình cần áp dụng động để có đánh giá thực tế qua tiêu tính kinh tế, tính hiệu tiêu chất lượng khí thải) LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho học tập, nghiên cứu Xin cảm ơn đồng nghiệp hỗ trợ việc thực thí nghiệm 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] Đinh Ngọc Ấn, Trang bị điện ô tô máy kéo, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1980 [3] John B Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company,1998 [4] Terrence Lyle Williamson, Ignition system requirements and their application to the design of capacitor discharge ignition system, Naval postgraduate school Monterey, California, 1971 [5] Konrad Reie ED, Gasoline engine Management system and components, Springer Vieweg, 2015 [6] Dipl.Ing (FH) Horst Bauer, Automotive Electric/Electronic System, Robert Bosch GmBh,1995 [7] Konrad Reif Ed, Gasoline Engine Management, Springer Vieweg, 2015 [8] Dipl.Ing (FH) Ulrich Adler, Automotive handbook, Robert Bosch GmBh, 1993 [9] V.A.W.Hillier, Fundamentals of Automotive Electronics 2nd Edition, Stanley Chornes (Pullishers) Ltd, 1996 [10] Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện điện tử ô tô đại - Hệ thống điện động cơ, NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2004 [11]Audris Simakaukas, Hybrid Ignition system with variable spark duration for spark ignition engine, The 8th International conference, Vilnius, Lithuania, May 9-10, 2013, [12] Martin E Gerry, Inductive-capacitive cyclic charge-discharge ignition system, USA Patent No: 4293797, 1981 [13] Michael J Frech, Kenosha, Win, Matthew Joseph Edwards, Des, plaines III, USA, Patent No: 5,806,504, sep, 15,1998 [14] Joseph M Lepley, Girard; Ohio USA, USA Patent No: US 6701904 B2, 2004 [15] Le khanh Dien, Tan Le Khanh, Dung Do Van, Am Quoc Do, An application of Hybrid method for improving of ignition system in small power explosion engine, International conference on advances in civil, structure and mechanical engineering, 21-22 february, 2015, bankok, Thailand, p31 [16] Capacitor discharge ignition, http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitor_discharge_ignition [17]Motec, engine management and data http://www.motec.com/aboutignition/ignitionoverview/ 418 acquicition system, ... thống đánh lửa Hybrid Hệ thống đánh lửa Hybrid, gọi hệ thống đánh lửa lai, hệ thống kết hợp hai kiểu đánh lửa điện dung điện cảm Có nhiều biến thể hệ thống đánh lửa lai Tuy nhiên, nghiên cứu thường... tận dụng ưu điểm hạn chế khuyết điểm kiểu đánh lửa [15] MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID CÓ KHẢ NĂNG TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM Mô hình hệ thống đánh lửa Hybrid (hỗn hợp điện cảm- điện dung) có... 114.8V Hình Dạng sóng sơ cấp mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt Hình Dạng sóng sơ cấp mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo-bin Ở mô hình đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin thực đánh lửa