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

NGHIÊN C ỨU 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 T ẮT

phương pháp tích lũy năng lượng, hệ thống đánh lửa được chia làm hai loại: hệ thống đánh

điện cảm, năng lượng tự cảm “thừa” sẽ được tích lũy vào một hay nhiều tụ điện và phần năng

năng lượng tự cảm này sẽ giúp tiết kiệm năng lượng sử dụng trên hệ thống đánh lửa Qua đó

T ừ khóa: tích lũy năng 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: capacitor-discharged ignition system and inductive-capacitor-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

1 GIỚI THIỆU

điện áp từ accu có giá trị 12V hay 24V, thành các xung điện cao thế có giá trị có thể đạt đến 45.000V, đồng thời phân phối các đến các bu-gi theo đúng thời điểm và đúng thứ tự yêu cầu

áp đánh lửa (bo-bin) sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm có giá trị (từ 100-300V) [1] Điện áp

đó, làm giảm điện thế thứ cấp, hỏng thiết bị đóng ngắt và gây nhiễu đến các thiết bị điện và điện tử khác trên ô tô

Ở hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện cảm – điện dung do tác giả đề xuất, ở các lần đánh

lượng này cho lần đánh lửa điện dung Với ý tưởng này, các tác động tiêu cực đã nêu trên sẽ được khắc phục và còn có thể tiết kiệm được năng lượng sử dụng trên hệ thống

2 ĐÁNH LỬA TRÊN CÁC ĐỘNG CƠ HIỆN ĐẠI

2.1 Quá trình hình thành tia l ửa điện

hai điện cực của bu-gi được chia làm ba giai đoạn chính: ion hóa (đánh thủng), hình thành tia

l ửa điện và gia nhiệt [3]

• Giai đoạn đánh thủng

Giai đoạn này được đặc trưng bởi điện áp rất cao (xấp xỉ 10kV) Cực đại của cường độ dòng điện đạt xấp xỉ 200A, trong thời gian ngắn (khoảng 10 ns), hình thành một kênh ion hóa

60000K và vài trăm atm Khi các sóng xung kích được lan truyền ra ngoài, kênh dẫn mở rộng

đi bởi sóng xung kích

Hình 1 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp, cường độ dòng điện và thời gian

đánh lửa của một hệ thống đánh lửa cơ bản

• Giai đoạn phóng tia lửa điện

Điện thế đạt khoảng 50V, cường độ dòng điện phụ thuộc vào điện trở của môi trường đánh lửa Nhiệt độ của cột khí cháy chỉ vào khoảng 6000K Năng lượng duy trì tia lửa điện

• Giai đoạn gia nhiệt

Ở giai đoạn này, cường độ dòng điện nhỏ hơn 200mA, điện áp ở cathode trong khoảng

thường là khoảng 0,2 mJ của động cơ Đối với hỗn hợp giàu hay nghèo hơn, tỷ lệ lý tưởng năng lượng yêu cầu lớn hơn (3 mJ) Nhưng do các mất mát, chỉ một phần nhỏ năng lượng

năng lượng cung cấp nhỏ (0,3 ÷ 1 mJ) Cuối giai đoạn xuyên thủng khi cathode nóng lên sẽ

đạt mức cao nhất (30 ÷ 100mJ)

2.2 Hệ thống đánh lửa điện cảm

Được phát minh bởi Kettering vào năm 1908 [4], hệ thống đánh lửa điện cảm được sử

khác như: hệ thống đánh lửa bán dẫn (transistorized), hệ thống đánh lửa theo chương trình

c ảm vẫn được sử dụng rộng rãi trên ôtô [5] Ở hệ thống đánh lửa này, năng lượng trên hệ

• Quá trình tích lũy năng lượng

hàm mũ từ không cho tới giá trị nhất định i [1]













−

t e R

U

Trong đó: U: điện thế nguồn; t: thời gian dòng điện qua cuộn sơ cấp; τ =

R

L

: h ằng số của

2

2

Li

• Ưu nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện cảm

Ưu điểm

Nhược điểm

2.3 H ệ thống đánh lửa điện dung

Đánh lửa điện dung (CDI) hoặc đánh lửa thyristor được sử dụng rộng rãi trên xe gắn

nhược điểm thời gian tích lũy năng lượng dài trên hệ thống đánh lửa điện cảm, điều này làm

tích lũy năng lượng trên một tụ điện và giải phóng dòng năng lượng này trong thời gian rất

người sáng chế ra hệ thống đánh lửa điện dung Hệ thống này được ứng dụng đầu tiên trên ô

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện cảm (a), điện dung (b)

• Nguyên lý làm vi ệc

ngưng nạp Năng lượng từ tụ sẽ phóng qua cuộn dây tạo ra tia lửa trên bu-gi Nếu tụ được nạp

Q=

2

2

CU

• Ưu điểm nhược điểm của hệ thống đánh lửa điện dung

Ưu điểm

vòng quay động cơ [1]

tăng, ít bị ảnh hưởng của điện trở rò trên bu-gi [1,16]

Nhược điểm

2.4 H ệ thống đánh lửa Hybrid

điểm của các kiểu đánh lửa trên [15]

3 MÔ HÌNH H Ệ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID CÓ KHẢ NĂNG TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM

lũy năng lượng tự cảm trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa được trình bày trên hình 3 Trên

điện cảm) Bộ điều khiển được lập trình với vi xử lý Arduino

3.1 Nguyên lý ho ạt động

• Ch ế độ đánh lửa điện cảm

dòng điện từ + accu sẽ đi qua cuộn sơ cấp của bo-bin, hình thành quá trình tích lũy năng lượng trên hệ thống Cuối quá trình này, các Transistor T1 và T2 bị ngắt, dòng điện qua cuộn

sơ cấp của bo-bin bị mất đi một cách đột ngột, lúc này trên cuộn thứ cấp của biến áp đánh lửa

Hình 3 Mô hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm có khả năng

tích lũy năng lượng tự cảm

• Ch ế độ đánh lửa điện dung

3.2 Các k ết quả thực nghiệm

Hình 4 Điện áp trên bo-bin (a) và trên hai bản cực của tụ điện (b)

Hình 5 D ạng sóng của dòng điện (a), điện áp qua cuộn sơ cấp của bo-bin đánh lửa điện

c ảm (b) và điện áp trên bo-bin đánh lửa điện dung (c) trên mô hình sử dụng một tụ điện

sơ cấp trên bo-bin hầu như không thay đổi (hình 4), để điện áp trên tụ đạt giá trị bão hòa tụ

T2 T1

C SCR

Kênh 1

Kênh 2 Kênh 3

Bo-bin 1

Bo-bin 2

+ 12 V

Bu-gi 1

Bu-gi 2

a)

b) c)

a)

b)

a) Điện áp tự cảm trên bo-bin b) Điện áp trên tụ

điện qua cuộn sơ cấp I= 3,345A (hình 5), năng lượng khi đánh lửa điện cảm QL = LI2/2= 15,

3.3 Mô hình tích lũy sử dụng nhiều tụ điện

giàu năng lượng đánh lửa, yêu cầu là 3mJ [3,6,7,8] Ngoài ra, khi động cơ đã được hâm nóng, năng lượng yêu cầu này chỉ còn khoảng 1mJ [9] Đối với những hệ thống đánh lửa thông thường, năng lượng đánh lửa 15mJ [7] Tuy nhiên, để tăng khoảng thời gian duy trì tia lửa

lượng này là từ 30-50mJ [3,4,6,7,10] Đối với những hệ thống đánh lửa dùng trên động cơ phun xăng trực tiếp, năng lượng này vào khoảng 100mJ[7]

chúng tôi đề ra hai mô hình tích lũy như sau:

Hình 6 Mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt

Hình7 M ạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng một bo-bin

Bộ điều khi ển

Bo.bin +12V

Bộ điều khiển

Bo.bin 1 Bo.bin 2 +12V

Hình 8 Dạng sóng sơ cấp của mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt

Hình 9 D ạng sóng sơ cấp của mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng một bo-bin

Ở mô hình đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin do thực hiện đánh lửa trên hai bo-bin

đơn giản hơn Tuy nhiên, việc lựa chọn bo-bin thích hợp cho cả hai kiểu đánh lửa điện dung

và đánh lửa điện cảm sẽ là vấn đề phải quan tâm.

4 K ẾT LUẬN

lai (điện cảm- điện dung) có khả năng thu hồi được sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp của

điện dung Tụ điện trong hệ thống này ngoài nhiệm vụ bảo vệ cho transistor công suất, còn đóng vai trò thiết bị thu hồi năng lượng tự cảm thừa trên hệ thống

lượng sử dụng trên hệ thống đánh lửa được lấy từ accu, với rất nhiều tổn thất trên quá trình

điện, hiệu quả tích lũy của accu và các mất mát khác) cho thấy việc tích lũy năng lượng tự

ứng với các động cơ khác nhau

- T ừ các kết quả đã thực hiện, mô hình cần được áp dụng trên động cơ để có những đánh giá thực tế qua các chỉ tiêu về tính kinh tế, tính hiệu quả và các chỉ tiêu về chất lượng khí th ải)

L ỜI CẢM ƠN

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

HCM, 2013

[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 và điện tử trên ô tô hiện 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

[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 acquicition system, http://www.motec.com/aboutignition/ignitionoverview/