Phân tích năng lượng điện cảm trong hệ thống đánh lửa

Bài viết này trình bày phương pháp xây mô hình phương trình cường độ dòng điện và phương trình sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa. Trên cơ sở xây dựng mô hình vật lý để thấy được bản chất của sự hình thành sức điện động tự cảm và năng lượng điện cảm trong hệ thống đánh lửa. Từ đó, xây dựng phương trình năng lượng điện cảm trên hệ thống đánh lửa một cách chính xác.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 PHÂN TÍCH NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CẢM TRONG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA A STUDY OF SELF-INDUCTANCE ENERGY IN THE IGNITION SYSTEM Phan Nguyễn Quí Tâm*, Đỗ Văn Dũng TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp xây mơ hình phương trình cường độ dịng điện phương trình sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa Trên sở xây dựng mơ hình vật lý để thấy chất hình thành sức điện động tự cảm lượng điện cảm hệ thống đánh lửa Từ đó, xây dựng phương trình lượng điện cảm hệ thống đánh lửa cách xác Các kết mô cho thấy thay đổi lượng điện cảm theo tốc độ động việc tận dụng nguồn lượng xu hướng việc ứng dụng nguồn lượng kép ắcquy - siêu tụ ô tô Từ khóa: Hệ thống đánh lửa,sức điện động tự cảm, lượng điện cảm ABSTRACT This paper presents a method of modeling the electrical current and selfinductance energy equation in primary coil for ignition system Base on building physical model to discover the nature of the back electromotive force (emf) and self-inductance energy in the ignition system From here, building up the inductive energy equation exactly The simulation results show thatthe change of inductive energy according to the engine speed and the point of these energy sources is a new trend in the application as the battery-supercapacitor dual energy sources in vehicles Keywords: Igintion system,self-inductance energy,energy storage Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh * Email: tampnq@hcmute.edu.vn Ngày nhận bài: 01/12/2020 Ngày nhận sửa sau phản biện: 28/12/2020 Ngày chấp nhận đăng: 26/02/2021 GIỚI THIỆU Hệ thống đánh lửa tơ có vai trò chuyển đổi điện áp thấp (12V 24V) thành xung điện áp cao (từ 15.000V đến 40.000V), xung phân bố đến bugi xy-lanh theo thứ tự làm việc vào thời điểm để đốt cháy hỗn hợp hịa khí xy-lanh động Hệ thống đánh lửa có vai trị quan trọng việc nâng cao hiệu suất làm việc, giảm tiêu hao nhiên liệu ô nhiễm môi trường động xăng Hệ thống đánh lửa điện cảm sử dụng phổ biến động đốt sử dụng nhiên liệu xăng phát minh Kettering vào năm 1908, có nhiều tên gọi khác nhau: hệ thống đánh lửa bán dẫn, hệ thống Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn đánh, lửa theo chương trình, hệ thống đánh lửa trực tiếp Phần lớn có ưu điểm: cấu trúc đơn giản, hoạt động ổn định, độ tin cậy cao, thời gian phóng xung điện cao áp dài ổn định [1,2] Để tạo xung điện cao áp hệ thống phải dùng điều khiển đánh lửa (IC đánh lửa) biến áp đánh lửa (bobin) có kết cấu gồm cuộn sơ cấp thứ cấp Năng lượng cần thiết cho q trình đánh lửa tích lũy dạng lượng điện cảm thơng qua q trình tích lũy lượng q trình ngắt dịng ngắt dịng điện qua cuộn sơ cấp bobin Năng lượng có vai trò định chất lượng đánh lửa vàcần đủ lớn để tạo xung cao áp vượt qua khe hở bugi trì tia lửa [3,4] Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu lượng điện cảm, sức điện động tự cảm ô tô nhằm cải thiện chất lượng hệ thống đánh lửa Trong đó, nhóm tác giả cơng trình [5] cụ thể hóa mơ hình đánh lửa khơng chia điện phân tích dạng xung sóng điện áp cuộn sơ cấp thứ cấp bobin Tác giả Lê Khánh Tân công tác viên công nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung điện cảm [6] Sản phẩm thử nghiệm thành công xe gắn máy Honda Wave RS tiết kiệm 55g nhiên liệu cho 100km Nồng độ CO HC khí thải giảm xuống lượng tương ứng 0,02%vol 73ppmvol Nhóm tác giả [7,8] cơng bố ảnh hưởng thông số R, L, C đến khả tích lũy lượng tự cảm hệ thống đánh lửa Hybrid Kết nghiên cứu mô thực nghiệm xác định ảnh hưởng thơng số R, L, C đến lượng tích lũy, đồng thời để hiệu chỉnh phương trình sức điện động tự cảm cường độ dòng sơ cấp đánh lửa Bài báo trình bày chất hình thành sức điện động tự cảm lượng tự cảm cách có hệ thống phương pháp mơ hình hóa sở xây dựng mơ hình vật lý, phát triển thành mơ hình tốn học để xây dựng phương trình cường độ dịng điện phương trình sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp bobin Từ xây dựng phương trình lượng điện cảm hệ thống đánh lửa Điều có ý nghĩa quan trọng việc tiếp tục tác động thông số cần thiết nhằm cải thiện lượng điện cảm nói chung hệ thống đánh lửa nói riêng Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 67 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC L: độ tự cảm cuộn dây Trong phần này, nhóm tác giả tiến hành xây dựng mơ hình tốn học hệ thống đánh lửa mơ tả hình U: điện áp hoạt động thực tế: U = U − ∆U Ua: điện áp ắc quy ∆UT: độ sụt áp khóa K (hay transistor cơng suất trạng thái dẫn bão hịa) Phương trình (1) mơ hình tốn học cường độ dịng điện qua cuộn sơ cấp q trình tích lũy lượng Hình Sơ đồ ngun lýhệ thống đánh lửa Theo sơ đồ nguyên lý hình 1, Transistor T dẫn, dòng điện từ + accu qua cuộn dây sơ cấp tăng trưởng đến giá trị định Khi Transistor T ngắt dòng điện sơ cấp từ thơng sinh đột ngột, cuộn thứ cấp biến áp đánh lửa sinh hiệu điện vào khoảng 15.000V đến 40.000V, chuyển đến chia điện phân phối đến bugi theo thứ tự công tác [9] Hình Sơ đồ tương đương trình ngắt dịng sơ cấp Áp dụng định luật Kirchoff cho hình 4, hệ phương trình vi phân thiết lập: = i (t)R + i (t)r ⎧−L i (t) = i (t) + i (t) ⎨ ⎩ i (t) = ∫ i (t) dt Trong đó: (2) R: điện trở cuộn cảm r: điện trở rò tụ C2 L1: độ tự cảm cuộn cảm i1: dòng điện qua điện trở R i2: dòng điện qua tụ C2 i3: dòng điện rò qua r Biến đổi Laplace (2) ta có: −L [SI − i(0 )] = I R + I r I =I +I Hình Mơ hình vật lý điều khiển cuộn dây sơ cấp [I I r= (3) + q(0 )] i(0 ) = I q(0 ) = I cường độ dòng điện mạch cuối thời gian tích lũy lượng Điều kiện biên Hệ phương trình: −L SI + L I = I R + I r I =I +I Hình Sơ đồ tương đương q trình tích lũy lượng Áp dụng định luật Kirchoff cho hình 3, phương trình vi phân thiết lập: di iR + L = U dt Nghiệm: i(t) = 1−e (1) I r= Nghiệm: I = ⇔I Trong đó: i: dịng điện qua cuộn sơ cấp (4) I ⇔I I L L S+R+ I L (C Sr + 1) S L C r + L S+SRC r + R + r I L C Sr + I L = S L C r + S(L +RC r) + (R + r) = R: tổng trở mạch 68 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (02/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 V = −L I S+ ⇔I = S + S( Đạo hàm (6), được: di = ax e cos(yt) − ay e sin(yt) dt + xz e sin(yt) + zy e cos(yt) )+ Đặt: L +RC r L C r R+r d= L C r ⎧a = I c= ⇔ ⎨b = I ⎩ C r Được: aS + b aS + b I = = S + cS + d S + S + + d − ⇔I = a S+ S+ ⇔I Phương trình (8) mơ tả sức điện động tự cảm q trình ngắt dịng sơ cấp 2.2 Năng lượng điện cảm d− Năng lượng tích lũy dạng từ truờng cuộn dây sơ cấp bobin tính sau: a S+ = S+ + = (ax + zy)e cos(yt) + (xz − ay)e sin(yt) (7) Thay (7) vào (6), phương trình (8) sau: di V (t) = −L dt =L [(ax + zy)e cos(yt) + (xz − ay)e sin(yt)](8) +b− + (6) Wđ = × L × I d− (9) Trong đó: Wđ : lượng điện cảm cuộn sơ cấp (J) + d− b− d− S+ + I : cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp lúc transistor công suất ngắt (A) d− L : độ tự cảm cuộn sơ cấp bobin (H) Năng lượng điện cảm q trình tích lũy lượng: Wđ (t) = × L × i(t) Biến đổi Laplace ngược: i (t) = ae + cos b− d− e c t sin d− d− = c t Đặt: c ⎧ x = −2 ⎪ ⎪ ⎪y = d − c ⎨ b− ⎪ ⎪z = ⎪ d− ⎩ Kết ta được: i (t) = ae cos(yt) + ze sin (yt) (5) Phương trình (5) mơ tả cường độ dịng điện qua cuộn cảm q trình ngắt dịng sơ cấp Trong đó: a, b, c d hệ số đặt theo mối quan hệ với R, r, L1, i1, i2 i3 2.1 Sức điện động tự cảm q trình ngắt dịng sơ cấp Để tính sức điện động tự cảm trình ngắt dịng sơ cấp, ta tính sức điện động tự cảm sau: Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn ×L × 1−e (10) Năng lượng điện cảm q trình ngắt dịng sơ cấp Wđ (t) = × L × i(t) = × L × ae cos(yt) + ze sin (yt) (11) Wđ (t) = Wđ (t) + Wđ (t) = ×L × 1−e + × L × ae cos(yt) + ze sin (yt) (12) Trong đó, phương trình (11) lượng điện cảm cuộn sơ cấp trình đánh lửa với a, b, c d hệ số đặt theo mối quan hệ với R, r, L1, i1, i2 i3 [9,10] KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Để tiến hành kiểm chứng xác mơ hình hệ thống vừa xây dựng, nhóm tác giả thực mơ phương trình (5), phương trình (8) phương trình (11) phần mềm MATLAB/Simulink với thông số cho bảng (thông số tương ứng phận đánh lửa động Toyota 1TR-FE) Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 69 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN ISSN 1859 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Bảng Thông số đầu vào hệ thống TT Thông số Điện trở cuộn dây sơ cấp bobin Kí hiệu Giá trị Đơn vị R 1,9 Ω Độ tự cảm cuộn dây sơ cấp bobin L 4,52.10 Điện áp ắc quy U 12,78 Giá trị tụ điện Điện trở rò Thời gian khảo sát C r t 0,33.10 ò -3 V -6 1.000.000 7.10 -3 H F Ω s Hình Đặc tuyến lượng ợng điện cảm trtrên cuộn sơ cấp theo tốc độ động Hình Đặc tuyến dịng điện qua cuộn sơ cấp Các kết mô đư ược thể sau: Hình thể đặc tuyến cường ờng độ d dòng điện qua cuộn sơ cấp, Hình cho thấy đặc tuyến sức điện động tự cảm tr trên cuộn sơ cấp, Hình thểể đặc tuyến llượng điện cảm cuộn sơ cấp vàà Hình thơng ssố đặc tuyến lượng điện cảm ên cu cuộn sơ cấp theo tốc độ động Có thể nhận thấy hình 7, lư lượng điện cảm cuộn sơ cấp bobin đạt ạt cực đại thời điểm td =7ms, tương ứng với thời điểm transistor ngắt, sau llượng giảm dần Giá trị lượng ợng điện cảm tr cuộn sơ cấp phụ thuộc chủ yếu vào thời ời gian ngậm theo biểu thức: Wđ = ×L × 1−e (13) τ t =γ ×T 120 T= n ×Z L τ= R Trong đó: Hình Đặc tuyến sức điện động tự cảm trên cuộn ộn sơ s cấp t : thời gian ngậm điện (s) γ : thời gian tích lũy ũy llượng tương đối (s), xét hệ thống đánh lửa thông dụng γ = 2/3 T: chu kì đánh lửa (s) τ: số điện từ n : số vòng quay động Z: số xylanh động Tương ứng: () Wđ (t) = × L × i(t) U = ×L × 1−e R Hình Đặc tuyến lượng điện cảm cuộn sơơ cấp c ập 57 - Số (02/2021) 70 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập γ × Khảo sát dải tốc độ động 750 ÷ 6000(vịng/phút) Website: hhttps://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KẾT LUẬN Bài báo phân tích xây dựng phương trình lượng điện cảm hệ thống đánh lửa dựa ngun lý hoạt động mơ hình vật lý hệ thống đánh lửa Qua phân tích, xác định lượng điện cảm hệ thống đánh lửa phụ thuộc chủ yếu vào hai thông số: cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp hệ số tự cảm cuộn sơ cấp Năng lượng đánh lửa có xu hướng giảm dần tốc độ tăng tần số đánh lửa cao, thời gian ngậm điện ngắn ảnh hưởng đến giá trị cực đại dòng điện qua cuộn sơ cấp Đặc tuyến mô lượng điện cảm theo tốc độ góp phần định hướng nghiên cứu có sở lựa chọn vùng tốc độ tối ưu điều khiển đánh lửa thu hồi lượng điện cảm, tích lũy vào siêu tụ điện dùng nguồn lượng điện cảm tái sinh theo xu hướng tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Văn Dũng, 2013 Điện động điều khiển động NXB Đại học Quốc gia TP.HCM [2] Tom Denton, 2018 Automobile Electrical and Electronic Systems (5th Edition), Published by Elsevier [3] William B Ribbens, 2017 Understanding Automotive Electronics (8th Edition), Published by Elsevier [4] Michael Günther Marc Sens, 2016 Ignition Systems for Gasoline Engines 3rd International Conference, November, 3-4, Berlin, Germany [5] Milan ŠEBŐK, Miroslav GUTTEN, Lubomír OSTRICA, Matej KUČERA, Marek Makyda, 2013.Analysis of Distributorless Ignition Systems.Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R 89 NR [6] Lê Khánh Tân, 2014 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung điện cảm Luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM [7] Do Van Dung, Do Quoc Am, Nguyen Tan Ngoc, 2017 Effects of Resistance, Capacitance and Self-Inductance on Accumulated Energy in the Hybrid Ignition System Interational Conference on System Science and Engineering (ICSSE) [8] Đỗ Quốc Ấm, 2020 Nghiên cứu, tính tốn, chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm sử dụng bo-bin đơn Chuyên đề NCS, 05/2020 [9] Lars Eriksson, Lars Nielsen, 2014 Modeling and control of engines and drivelines (3th Edition), Published by John Wiley & Sons, Ltd AUTHORS INFORMATION Phan Nguyen Qui Tam, Do Van Dung HCMC University of Technology and Education Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol 57 - No (Feb 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 71 ... Bài báo phân tích xây dựng phương trình lượng điện cảm hệ thống đánh lửa dựa nguyên lý hoạt động mơ hình vật lý hệ thống đánh lửa Qua phân tích, xác định lượng điện cảm hệ thống đánh lửa phụ... mơ lượng điện cảm theo tốc độ góp phần định hướng nghiên cứu có sở lựa chọn vùng tốc độ tối ưu điều khiển đánh lửa thu hồi lượng điện cảm, tích lũy vào siêu tụ điện dùng nguồn lượng điện cảm. .. dịng điện qua cuộn sơ cấp hệ số tự cảm cuộn sơ cấp Năng lượng đánh lửa có xu hướng giảm dần tốc độ tăng tần số đánh lửa cao, thời gian ngậm điện ngắn ảnh hưởng đến giá trị cực đại dịng điện qua