(Luận văn thạc sĩ) đánh giá khả năng tích lũy năng lượng tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TẤN NGỌC ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM TRÊN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LAI NGÀNH : CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 SKC 0 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2014 TÓM TẮT Là hệ thống quan trọng ô tô Hoạt động hệ thống đánh lửa ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, tính ổn định chất lượng khí thải xe Ở cuối q trình tích lũy lượng hệ thống suất sức điện động tự cảm có giá trị từ (100 – 300 V) cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa (bo-bin) Điện áp tự cảm làm hỏng thiết bị đóng ngắt mạch, gây nhiễu làm giảm điện áp thứ cấp bo-bin Để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực trên, trước đây, sức điện động tự cảm tích lũy vào môt tụ điện mắc song song với thiết bị đóng ngắt mạch Tuy nhiên biện pháp lại chưa tận dụng lượng lượng tích lũy tụ Luận văn đề giải pháp tiết kiệm lượng cách sử dụng lại phần lượng thừa cho lần đánh lửa Nội dung đề tài tập trung vào đánh giá khả tích lũy lượng điện cảm hệ thống khảo sát yếu tố liên quan đến nội dung Đầu tiên tác giả tóm tắt lý thuyết đánh lửa tơ, phân tích mơ hình hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung – điện cảm, khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến trình đánh lửa tích lũy lượng mơ hình Sau tiến hành thực nghiệm khảo sát đánh giá khả tích lũy lượng thực tế Luận án khảo sát chứng minh biện pháp dùng tụ hồn tồn có đủ khả thu hồi sức điện động tự cảm sinh cuộn sơ cấp biến áp đánh lửa (bo-bin)và phần lượng đủ cho lần đánh lửa sau (đánh lửa điện dung) phù hợp với lý thuyết nêu Năng lượng yêu cầu sử dụng cho lần đánh lửa không lớn Tuy nhiên, kể đến mát q trình sản xuất, truyền dẫn, tích lũy lương điện Đồng thời tính đến hàng trăm triệu ô tô hoạt động giới, phần lượng tiết kiệm đáng quan tâm Ngoài ra, nguồn lượng hóa thạch – v vốn dần cạn kiệt - tiết kiệm đồng nghĩa với lượng phát thải ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống tự nhiên hạn chế vi MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài i Lý lịch cá nhân ii Lời cam đoan iii Cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục viii Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách bảng x Danh sách hình xii Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 Chương 3: MƠ HÌNH ĐÁNH LỬA HYBRID 25 Chương 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID 33 Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 51 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 77 viii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ TRANG FET: Field-Effect Transistor 52 IGT: Ignition Timing signal 52 SW: Switch 52 rpm: revolution per minute 66 ix CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài: Là hệ thống quan trọng ô tô, hệ thống đánh lửa ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu, tính ổn định chất lượng khí thải xe Trong q trình hoạt động, cuộn sơ cấp hệ thống đánh lửa sinh sức điện động tự cảm khoảng 100 V đến 300 V [1] Sức điện động tự cảm gây hư hỏng thiết bị đóng ngắt, ảnh hưởng đến q trình tăng trưởng dịng sơ cấp gây nhiễu đến thiết bị điện khác xe Để giải vấn đề trên, tụ điện thường sử dụng hệ thống Tuy vậy, biện pháp có khuyết điểm chưa tận dụng lượng sức điện động tự cảm sinh Ở mơ hình đánh lửa lai hỗn hợp điện dung - điện cảm, lượng tự cảm sinh tích lũy vào tụ điện tái sử dụng lượng cho lần đánh lửa Tụ điện này, vừa giúp tiết kiệm lượng đánh lửa, nâng cao chất lượng trình đánh lửa; vừa giúp bảo vệ cho thiết bị đóng ngắt dịng sơ cấp khỏi tác hại sức điện động tự cảm trên, đồng thời nâng cao đươ ̣c chấ t lươ ̣ng đánh lửa ̣ thố ng chống nhiễu cho thiết bị điện khác ô tô Đề tài “Đánh giá khả tích lũy lượng tự cảm hệ thống đánh lửa lai” nhằm mục đích đánh giá khả tích lũy lượng tự cảm mơ hình hệ thống đánh lửa lai 1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài: 1.2.1 Trong nước:  Bài báo “ Tính tốn sức điện động tự cảm hệ thống đánh lửa lai” nhóm tác giả Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan Nguyễn Quí Tâm, Lê Khánh Tân đăng tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật số 32 [2] Bài báo đưa mơ hình hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung - điện cảm, trình bày tính toán sức điện động tự cảm mạch sơ cấp hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung điện cảm kết thực nghiệm Các kết tính tốn thực động giúp xác định dạng dao nghiệm thông số tác động lên các dao động nêu 16 Hình 1.1: Mạch đánh lửa lai Các cơng thức tính cường độ dịng điện cuộn sơ cấp i1(t) sức điện động tự cảm V1(t): 𝑖 (𝑡 ) = 𝑎𝑒 𝑥𝑡 cos(𝑦𝑡 ) + 𝑧𝑒 𝑥𝑡 sin(𝑦𝑡) 𝑉1 (𝑡) = −𝐿1 [(𝑎𝑥 + 𝑧𝑦)𝑒 𝑥𝑡 cos(𝑦𝑡 ) + (𝑥𝑧 − 𝑎𝑦)𝑒 𝑥𝑡 sin(𝑦𝑡 )] So sánh kết mơ thực nghiệm: Hình 1.2: So sánh điện áp cực đại sức điện động tự cảm tính tốn V1 với giá trị thực nghiệm thời gian tích lũy lượng khác Sai lệch kết thực nghiệm mô sức điện động tự cảm vào khoảng 10% Từ khóa: Sức điện động tự cảm, mạch sơ cấp, hệ thống đánh lửa lai, dao động  Bài báo “Nghiên cứu mơ hình đánh lửa Hybrid” nhóm tác giả Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Lê Khánh Tân đăng Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ IV [3] Bài báo trình bày nghiên cứu mơ 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 17 lượng sử dụng hệ thống đánh lửa Qua giúp tiết kiệm nhiên liệu sử dụng giảm phát thải tơ Hình 1.3: Mơ hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm có khả tích lũy lượng tự cảm Hình 1.4: Điện áp bo-bin (a) hai cực tụ điện (b) 18 Hình 1.5: Dạng sóng dịng 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 Năng lượng tích lũy tụ có dung lượng C = μF đạt 9,36 mJ với thời gian tích lũy lượng tng = 2,67 ms, dòng điện cực đại I = 3,345 A, điện U= 12,54 V, R = 1,2 Ω L = 2,67 mH Năng lượng đánh lửa điện cảm QL = 15,55 mJ Hai mơ hình tích lũy lượng: Mơ hình mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt Mơ hình mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo-bin Hình 1.6: Mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng hai bo-bin riêng biệt Hình 1.7: Mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng bo-bin Từ khóa: tích lũy lượng, đánh lửa điện dung, đánh lửa điện cảm, đánh lửa lai, khí xả 19  Bài báo “Nghiên cứu chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực tiếp”, nhóm tác giả Lâm Bá Nha, Nguyễn Khắc Bằng Ngơ Thanh Hà [4] Bài báo trình bày việc thực nghiệm chuyển đổi hệ thống đánh lửa bán dẫn động TOYOTA 5A-F thành hệ thống đánh lửa trực hai phương án: Hệ thống đánh lửa trực tiếp bo-bin đôi Hệ thống đánh lửa trực tiếp bo-bin đơn Các kết thực nghiệm: Hình 1.8: Biểu đồ lượng nhiên liệu tiêu thụ trung bình phút động 5A-F Hình 1.9: Đồ thị M, P động 5A-F Việc chuyển đổi giúp cải thiện thông số đánh lửa, tăng công suất, tăng moment, tiết kiệm nhiên liệu giảm ô nhiễm môi trường Khi chuyển đổi từ hệ thống đánh lửa bán dẫn sang hệ thống đánh lửa trực tiếp phương án sử dụng bo-bin đơn cho kết tốt  Các nghiên cứu tối ưu hóa thời điểm đánh lửa điện tử hóa hệ thống như: 20 Năng lượng tích lũy có tính đến tổn thất đạt cực đại WC = 18,3 mJ C = μF, thấp WC = 14,79 mJ C = 0,22 μF Như với kết mơ tính tốn, từ điều kiện ảnh hưởng thời gian ngậm, thời gian nạp tụ, điện áp nạp tụ, lượng tích lũy độ sụt áp tụ, tụ có điện dung C = μF đạt lượng tích lũy cao 8.4.3 Kết thực nghiệm: 8.4.3.1 Thực nghiệm mơ hình động bốn xy lanh: Với R = 1,12 Ω, C = μF L = 1,25 mH, thời gian cần thiết để nạp đầy tụ là: t = 4RC = 4.1,12.1.10-6 = 4,48.10-6 s = 4,48 μs Hình 8.25 Điện áp tụ mơ hình xy lanh khoảng thời gian ngậm 5,9 ms với r=106 (Ω), R=1,12 (Ω), L1=1,25.10-3 (H), U=12,54 (V), C=1 (μF) Số liệu thực nghiệm thể bảng bên Bảng 8.1: Số liệu thực nghiệm điện áp tụ trước xả mơ hình bốn xy lanh với R = 1,12 Ω, C = μF L = 1,25 mH tngậm (ms) 5,9 5,5 4,6 4,5 Tụ 170,1 173 172,5 171,9 171,6 V1(V) Tụ 178,5 181,7 181,3 180,6 180,1 Tụ 179,5 182,7 182,1 181,6 181,6 tnạp tụ(μs) 18,3 18,3 18,3 18,3 18,3 Bảng 8.2: Năng lượng tích lũy tụ thực nghiệm mơ hình bốn xy lanh với R = 1,12 Ω, C = μF L = 1,25 mH 135 Wc tụ (mJ) tngậm (ms) Tụ Tụ Tụ 5,9 14,47 15,93 16,11 5,5 14,96 16,51 16,69 14,89 16,43 16,58 4,6 14,77 16,31 16,49 4,5 14,72 16,22 16,49 8.4.3.2 Thực nghiệm mơ hình động sáu xy lanh: Wc tổng (mJ) 46,51 48,16 47,9 47,57 47,43 tnạp tụ (μs) 18,3 18,3 18,3 18,3 18,3 Với R = 1,12 Ω, C = μF L = 1,25 mH, thời gian cần thiết để nạp đầy tụ là: t = 4RC = 4.1,12.1.10-6 = 4,48.10-6 s = 4,48 μs Hình 8.26 Điện áp tụ 1, 2, FET T5 khoảng thời gian ngậm 5,9 ms với r=106 (Ω), R=1,12 (Ω), L1=1,25.10-3 (H), U=12,54 (V), C=1 (μF) 136 Hình 8.27 Điện áp tụ 3, 4, khoảng thời gian ngậm 5,9 ms với r=106 (Ω), R=1,12 (Ω), L1=1,25.10-3 (H), U=12,54 (V), C=1 (μF) Số liệu thực nghiệm thể bảng bên Bảng 8.3: Số liệu thực nghiệm điện áp tụ trước xả mơ hình sáu xy lanh với R = 1,12 Ω, C = μF L = 1,25 mH tngậm (ms) 5,9 5,5 4,6 4,5 Tụ 167,6 165,7 165 163,3 164 Tụ 177,5 176,2 175,3 174,4 174,9 V1(V) Tụ 173,7 177,6 178,5 180,2 181,1 Tụ 178 181,6 182,4 184,1 184,7 tnạp tụ (μs) 18,3 18,3 18,3 18,3 18,3 Tụ 178,6 182 183,2 184,9 186 Bảng 8.4: Năng lượng tích lũy tụ thực nghiệm mơ hình sáu xy lanh với R = 1,12 Ω, C = μF L = 1,25 mH tngậm (ms) 5,9 5,5 4,6 4,5 Tụ 14,04 13,73 13,61 13,33 13,45 Tụ 15,75 15,52 15,37 15,21 15,3 Wc tụ (mJ) Tụ 15,1 15,77 15,93 16,24 16,4 Tụ 15,84 16,49 16,63 16,95 17,06 Tụ 15,95 16,56 16,78 17,09 17,3 Wc tổng (mJ) 76,68 78,07 78,32 78,82 79,51 tnạp tụ (μs) 18,3 18,3 18,3 18,3 18,3 8.4.4 Đánh giá kết quả: Kết thực nghiệm chứng minh lượng tích lũy mơ hình đủ sức để đánh lửa thực tế (hơn 45 mJ chế độ bốn xy lanh 75 mJ chế độ xy lanh) Sai số lượng tích lũy tụ kết mô thực nghiệm khoảng 15% So sánh lượng tích lũy tụ Nang luong tich luy tren tu (4 xy lanh) Nang luong tich luy tren tu (6 xy lanh) 50 80 75 Nang luong tich luy Wc(mJ) Nang luong tich luy Wc(mJ) 45 C=0.5uF C=1uF C=2uF 40 35 70 C=0.5uF C=1uF C=2uF 65 60 55 30 50 25 4.5 137 5.5 Thoi gian(ms) 45 4.5 5.5 Thoi gian(ms) Hình 8.28 So sánh lượng tích lũy chế độ bốn xy lanh chế độ sáu xy lanh thực nghiệm Ở hai trường hợp, lượng tích lũy cao tụ có điện dung C = μF, thấp tụ có điện dung C = 0,5 μF (Phụ lục số liệu thực nghiệm) Tụ 0,5 μF có độ sụt áp tụ cao nên lượng tích lũy bị giảm sút mạnh Từ hình 8.25, 8.26, 8.27 bảng 8.1, 8.2, 8.3, 8.4; ta nhận thấy có sụt áp tụ khoảng thời gian từ nạp tụ đến xả Việc làm cho lượng tích lũy bị giảm xuống, tụ nạp tổn thất lượng nhiều nhất, tụ nạp trễ tổn thất Thời gian nạp tụ trường hợp thực nghiệm lớn gấp nhiều lần thời gian tối thiểu để tụ nạp đầy 8.5 Kết luận hướng phát triển: 8.5.1 Năng lượng tích lũy: Đối với hệ thống đánh lửa thông thường, lượng đánh lửa yêu cầu 30 mJ Ở đông phun xăng trực tiếp, lượng đánh lửa yêu cầu 100 mJ Kết tính tốn mơ thực với thông số tng = 5.10-3 (s), r = 106 (Ω), R = 1,12 (Ω), L1 = 1,25.10-3 (H), U = 12,54 (V) Do thông số điện trở R, độ tự cảm L cố định (sử dụng bo-bin có sẵn), ta tập trung xem xét ảnh hưởng điện dung C đến lượng tích lũy tụ Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp giai đoạn tích lũy lượng,khơng chịu ảnh hưởng điện dung tụ nên lượng tich lũy bo-bin điện cảm không bị ảnh hưởng với giá trị điện dung tụ khác Năng lượng tích lũy tụ phụ thuộc chủ yếu vào thông số: sức điện động tự cảm nạp tụ, điện dung tụ thời gian nạp tụ Thời gian nạp tụ theo mô tính tốn lớn so với thời gian nạp đầy tụ (hình 8.23) Dựa vào kết mơ (hình 8.24), lượng tích lũy cao với tụ có điện dung C = 0,22 μF Năng lượng tích lũy giảm dần điện dung tụ tăng lên Trên thực tế lượng tích lũy tụ bị mát theo thời gian (mơ hình 8.23 khơng tính đến tổn thất tụ) Khi tính đến tổn thất tụ, lượng tích lũy cao điện dung tụ C = 1μF đồng thời tổn thất lớn tụ 0,22 μF (hình 8.24) Điều tiếp tục đánh giá qua thực nghiệm 8.5.2 Kết thực nghiệm: 138 Tiến hành thực nghiệm với thông số r = 106 (Ω), R = 1,12 (Ω), L1 = 1,25.10-3 (H), U = 12,54 (V) Các thông số thay đổi thời gian ngậm tng, số bo-bin điện dung tụ (C) Kết thực nghiệm cho thấy:  Sai lệch cường độ dòng sơ cấp, sức điện động tự cảm tần số dao động mô thực nghiệm mức nhỏ 10% (hình 8.19)  Các kết tính tốn - mơ thực nghiệm cho thấy, với thông số sử dụng tụ có điện dung C = μF lượng tích lũy hệ thống đạt giá trị lớn (hình 8.24 hình 8.28)  Với mơ hình đánh lửa sử dụng bốn bo-bin sáu bo-bin sử dụng tụ có điện dung C = μF, với thời gian tích lũy lượng tng = 4,5-5,9 ms, tổng lượng tích lũy tối thiểu 46,5 mJ 76,6 mJ Như vậy, lượng tích lũy tụ hai mơ hình lớn lượng cần thiết để thực lần đánh lửa (30 mJ)  Năng lượng tích lũy cuộn sơ cấp giai đoạn đánh lửa điện cảm không chịu ảnh hưởng điện dung tụ lượng đánh lửa điện cảm W=LI2/2.Như vậy, hệ thống đánh lửa lai đề xuất thử nghiệm thỏa mãn lượng đánh lửa cho hai kiểu đánh lửa điện cảm điện dung  Chu kỳ dao động điện đánh lửa không phụ thuộc vào thông số làm việc hệ thống tng, mà phụ thuộc vào thông số cấu tạo L, C nên thời gian hình thành mơt chu kỳ không đổi hệ thống đánh lửa lai làm việc Với hệ thống có thơng số R = 1,12 Ω, C = μF L = 1,25 mH, tụ có thời gian nạp lớn nhiều lần so với thời gian tối thiểu nạp đầy tụ (18,3 µs so với 4,48 µs)  Do tồn tổn thất tụ, lượng tích lũy tụ giảm thời gian lưu trữ tăng (bảng 8.2 bảng 8.4), tổn thất lớn hệ thống sử dụng bo-bin  Các kết thực nghiệm cho thấy sai lệch lượng tích lũy tụ thực tính tốn mơ thực nghiệm 15% 8.5.3 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 139 có công 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 hoàn toàn 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 mơ 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 tơ Sự rò điện tụ vấn đề cần xem xét Khi tăng thời gian tích lũy lượng tng, điện áp tự cảm hệ thống tăng, điện áp nạp tụ tăng, dẫn đến lượng tích lũy tụ tăng theo Tuy nhiên, ảnh hưởng rò rỉ tụ nên tăng tng mát lượng tăng lên Ngồi ra, tụ có điện dung nhỏ rị điện tụ cao Các kết luận thể kết thực nghiệm Tuy vậy, số vấn đề tồn mơ hình thử nghiệm:  Chưa đánh giá ảnh hưởng thông số áp suất buồng cháy, khe hở bu-gi, thời gian xuất tia lửa bu-gi, đến trình làm việc mạch đánh lửa lai hỗn hợp điện dung – điện cảm 140  Chỉ đánh giá tổn thất lượng tích lũy tụ mà chưa đánh giá hết tổn thất lượng từ yếu tố điện trở, độ tự cảm bo-bin tổn thất lượng toàn mạch  Mạch thực nghiệm bị nhiễu tổn thất chi tiết, tổn thất lớn so với lý thuyết 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 làm việc mạch đánh lửa lai hỗn hợp điện dung – điện cảm  Thực nghiệm thực tế động  Nghiên cứu chuyên sâu tổn thất lượng tụ theo thời gian tổn thất lượng mạch theo yếu tố điện trở điện dung tụ 141 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ R, L, C ĐẾN KHẢ NĂNG TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM TRÊN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID EFFECT OF RESISTANCE, CAPACITOR AND SELF-INDUCTANCE TO THE SELF-INDUCED ENERGY IN THE HYBRID IGNITION SYSTEM Do Van Dung1, Do Quoc Am1, Nguyen Tan Ngoc1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài báo xem xét ảnh hưởng thông số điện trở, điện dung độ tự cảm đến lượng tích lũy hệ thống đánh lửa Hybrid Các kết mô thực nghiệm xác định ảnh hưởng thông số đến lượng tích lũy, đồng thời để hiệu chỉnh phương trình sức điện động tự cảm cường độ dịng sơ cấp Từ khóa: hệ thống đánh lửa, Hybrid, điện dung, lượng tự cảm ABSTRACT This paper analyzed the effect of resistance, capacitor and self-inductance to the self-induced energy in Hybrid ignition system Simulation and experiment results not only presented this effect on Hybrid ignition system, but also used to adjust the primary current equation and self – induced emf equation Keywords: ignition system, Hybrid, capacitor, self – inducted energy ̣ thố ng chống nhiễu cho thiết bị điện khác ô tô [3] GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID Trong trình hoạt động hệ thống đánh lửa, cuộn sơ cấp bo-bin sinh sức điện động tự cảm có giá trị từ 100 V đến 300 V [1] Sức điện động tự cảm gây hư hỏng thiết bị đóng ngắt, ảnh hưởng tiêu cực đến q trình tăng trưởng dịng sơ cấp gây nhiễu đến thiết bị điện khác xe [2] Để giải vấn đề này, hệ thống đánh lửa Hybrid tích lũy lượng tự cảm vào tụ điện sử dụng lượng vào lần đánh lửa sau Như vậy, hệ thống vừa giúp tiết kiệm lượng đánh lửa, nâng cao chất lượng trình đánh lửa; vừa giúp bảo vệ cho thiết bị đóng ngắt dịng sơ cấp khỏi tác hại sức điện động tự cảm trên, đồng thời nâng cao đươ ̣c chấ t lươ ̣ng đánh lửa Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa Hybrid Nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa Hybrid: 142 Hệ thống bao gồm hai chế độ làm việc: chế độ đánh lửa điện cảm chế độ đánh lửa điện dung.Ờ chế độ đánh lửa điện cảm, sức điện động tự cảm sinh tích trữ vào tụ Ở chế độ đánh lửa điện dung, transistor T2 SCR làm việc, dòng điện từ tụ điện C1 qua SCR đến cuộn sơ cấp qua transistor T2 xuống mass làm xuất điện áp cao cuộn thứ cấp [4] 2.1 PHƯƠNG TRÌNH SỨC ĐIỆN ĐỘNG TỰ CẢM, CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN, CHU KỲ VÀ TẦN SỐ CỦA HỆ THỐNG: Hình Kết thực nghiệm cường độ dòng cuộn sơ Hiệu chỉnh phương trình cường độ dịng sơ cấp (1), ta đồ thị mơ phỏng: Cường độ dịng sơ cấp Bien thien dong cuon so mo phong Phương trình cường độ dòng sơ cấp [4]: (1) Cuong dong so cap i1(A) 𝑖(𝑡) = 𝑎𝑒 𝑥𝑡 cos(𝑦𝑡) + 𝑧𝑒 𝑥𝑡 sin(𝑦𝑡) Cuong dong so cap 2.2 Sức điện động tự cảm Phương trình sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp transistor công suất ngắt [4]: 𝑥𝑡 𝑉1 (𝑡) = −𝐿1 [(𝑎𝑥 + 𝑧𝑦)𝑒 cos(𝑦𝑡) + (𝑥𝑧 − 𝑎𝑦)𝑒 𝑥𝑡 sin(𝑦𝑡)] (2) -1 -2 2.3 Chu kỳ tần số hệ 2𝜋 𝑑 𝑧= { 𝑏− Kết thực nghiệm sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp: (4) 𝜏 𝐼 𝑏 = 𝐶 0𝑟 𝑐2 𝑎𝑐 𝑐2 √𝑑− 𝑧𝑒 20𝑥𝑡 𝑠𝑖𝑛(𝑦𝑡/1,5) 𝑎 = 𝐼0 𝑥 = −2 𝑦 = √𝑑 − 0.015 thị mô 𝑖1 (𝑡) = 0,7𝑎𝑒 20𝑥𝑡 𝑐𝑜𝑠(𝑦𝑡/1,5) + (3) 𝑅 √1−( ) √ 𝐿1 𝐶1 2√𝐿1 ⁄𝐶1 Tần số hệ [5, 6]: 𝑓 = Với 0.01 Hình Đồ 2𝜋 𝑐 0.005 Thoi gian(s) Chu kỳ dao động hệ [5, 6]: 𝜏=𝜔 = 𝑐= 𝐿1 +𝑅𝐶1 𝑟 [4] 𝐿1 𝐶1 𝑟 𝑅+𝑟 { 𝑑 = 𝐿1 𝐶1 𝑟 2.4 Hiệu chỉnh phương trình Tiến hành thực nghiệm xác định cường độ dịng điện sơ cấp sức điện động tự cảm hệ với thông số sau: tng = (ms), U = 12,54 (V), C1 = (μF), L1 = 1,25 (mH), R = 1,12 (Ω) Hình Kết thực nghiệm sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp Kết thực nghiệm cường độ dòng sơ cấp: Hiệu chỉnh phương trình sức điện động tự cảm (2), ta đồ thị mô phỏng: 143 Suc dien dong tu cam mo phong So sanh gia tri cuong dong so cap giua mo phong va thuc nghiem 140 Suc dien dong tu cam 7.5 100 cuong dong so cap i1(A) Suc dien dong tu cam V1(V) 120 80 60 40 20 mo phong thuc nghiem 6.5 5.5 -20 0.005 0.01 4.5 0.015 1.5 2.5 3.5 thoi gian ngam(s) Thoi gian(s) Hình Đồ 4.5 5.5 -3 x 10 Hình So sánh cực đại cường độ dịng sơ cấp mơ thực nghiệm thời gian ngậm khác thị mô 𝑉1 (𝑡) = −𝐿1 [(𝑎𝑥 + 𝑧𝑦/1,5)𝑒 𝑥𝑡 𝑐𝑜𝑠(𝑦𝑡/1,5)/3 + 0,8(𝑥𝑧 − 𝑎𝑦/1,5)𝑒 𝑥𝑡 𝑠𝑖𝑛(𝑦𝑡/1,5)] − 3,5 Các kết thực nghiệm mơ cường độ dịng sơ cấp cho thấy sai lệch không 10% 2.5 Đánh giá sai lệch kết thực nghiệm mơ cường độ dịng sơ cấp sức điện động tự cảm cuộn sơ cấp: So sanh gia tri suc dien dong tu cam giua mo phong va thuc nghiem MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA R, L VÀ C ĐẾN SỨC ĐIỆN ĐỘNG TỰ CẢM VÀ CƯỜNG ĐỘ DỊNG ĐIỆN QUA CUỘN SƠ CẤP 140 Mơ với thông số tng = (ms), U = 12,54 (V), C1 = (μF), L1 = 1,25 (mH), R = 1,12 (Ω) suc dien dong tu cam V1(V) 130 120 3.1 Ảnh hưởng R, L, C đến sức điện động tự cảm 110 mo phong thuc nghiem 100 Thay đổi cực đại sức điện động tự cảm thay đổi R từ 0,22 Ω 90 80 đến Ω Thay doi cuc dai suc dien dong tu cam theo dien tro R 1.5 2.5 3.5 thoi gian ngam(s) 4.5 5.5 450 Suc dien dong tu cam -3 x 10 400 Hình So sánh cực đại sức điện động tự cảm mô thực nghiệm thời gian ngậm khác Suc dien dong tu cam V1(V) 350 Các kết thực nghiệm mô sức điện động tự cảm cho thấy sai lệch không 10% 300 250 200 150 100 50 0 Dien tro R(Ohm) Hình Thay đổi cực đại V1 R thay đổi Thay đổi cực đại sức điện động tự cảm thay đổi C từ 0,22 μF đến 144 μF Thay doi cuc dai cuong dong so cap theo dien tro R Thay doi cuc dai suc dien dong tu cam theo dien dung tu C 25 450 Cuong dong so cap Suc dien dong tu cam 400 Cuong dong so cap i1(A) Suc dien dong tu cam V1(V) 20 350 300 250 200 150 15 10 100 50 Dien dung tu C(uF) Hình Thay đổi cực đại V1 C thay đổi Dien tro R(Ohm) Hình 11 Thay đổi cực đại i1 R thay đổi Thay đổi cực đại sức điện động tự cảm thay đổi L từ 0,22 mH -6 x 10 Thay đổi cực đại cường độ dòng sơ cấp thay đến mH đổi L từ 0,22 mH đến mH Thay doi cuc dai cuong dong so cap theo tu cam L Thay doi cuc dai suc dien dong tu cam theo tu cam L 200 Cuong dong so cap 7.5 Cuong dong so cap i1(A) Suc dien dong tu cam V1(V) Suc dien dong tu cam 150 100 6.5 5.5 4.5 50 Do tu cam L(mH) 3.5 -3 x 10 Do tu cam L(mH) -3 x 10 Hình 10 Thay đổi cực đại V1 L thay đổi Hình 12 Thay đổi cực đại i1 L thay đổi Kết mô cho thấy cực đại sức điện động tự cảm giảm nhanh tăng điện trở điện dung tụ Tuy nhiên, tăng độ tự cảm, cực đại sức điện động tự cảm tăng, đạt đỉnh V1 = 192,7 V L = 4,7 mH Khi vượt qua 4,7 mH, cực đại sức điện động tự cảm giảm Kết mơ cho thấy cực đại cường độ dịng sơ cấp giảm nhanh tăng điện trở R độ tự cảm L vượt mH Điện dung C khơng tham gia vào q trình tăng trưởng dịng sơ cấp Vì vậy, cực đại cường độ dịng sơ cấp không bị ảnh hưởng thay đổi giá trị điện dung C 3.2 Ảnh hưởng R, L, C đến cường độ dòng sơ cấp 3.3 Ảnh hưởng R, L, C đến chu kỳ tần số hệ Thay đổi cực đại cường độ dòng sơ cấp thay đổi R từ 0,22 Ω đến Ω Thay đổi tần số thay đổi R từ 0,22 Ω Ω 145 đến Trên hệ thống đánh lửa Hybrid, có hai q trình đánh lửa đánh lửa điện cảm đánh lửa điện dung Do đó, lượng đánh lửa hai trình phải cung cấp đầy đủ Anh huong cua dien tro den tan so V1 va i1 2124 f(Hz) 2122 Tan so f(Hz) 2120 2118 Năng lượng tích lũy tụ tính theo cơng thức [5]: 2116 2114 2112 2110 𝑊𝐶 = 𝐶𝑉𝐶2 0.5 1.5 2.5 Dien tro R 3.5 4.5 (5) Năng lượng tích lũy phụ thuộc vào hai thơng số điện áp tụ VC điện dung tụ C VC phụ thuộc vào thời nạp tụ [5]: Hình 13 Thay đổi tần số R thay đổi Thay đổi tần số thay đổi C từ 0,22 μF đến μF τ = RC (6) Với R = 1,12 Ω, C = μF, thời gian nạp đầy tụ (99%Vnạp) là: t = 4RC = 4,48 μs Anh huong cua dien dung tu den tan so V1 va i1 7000 f(Hz) 6000 Thời gian nạp tụ hệ thống đánh lửa Hybrid 1/4 thời gian hình thành chu kỳ sức điện động tự cảm Tan so f(Hz) 5000 4000 Hình 16 thể thời gian nạp tụ mô thời nạp tụ điện dung tụ thay đổi 3000 2000 1000 0.5 1.5 2.5 Dien dung tu C(uF) 3.5 4.5 -6 x 10 Hình 14 Thay đổi tần số C thay đổi Thay đổi tần số thay đổi L từ 0,22 mH -4 x 10 Anh huong cua dien dung den thoi gian hinh mot chu ky V1 Thoi gian hinh mot chu ky T(s) Thoi gian nap day tu t(s) đến Thoi gian(s) mH Anh huong cua tu cam L den tan so V1 va i1 5500 f(Hz) 5000 4500 Tan so f(Hz) 4000 3500 0 3000 2500 Dien dung tu C(uF) -6 x 10 Hình 16 Thời gian hình thành chu kỳ V1 thời gian nạp đầy tụ thay đổi điện dung tụ từ 0,22 μF – μF 2000 1500 1000 500 1 Do tu cam L(mH) Có thể thấy thời gian nạp tụ lớn nhiều so với thời nạp tụ Do đó, VC = 99% Vnạp Điều đảm bảo tụ nạp đầy -3 x 10 Hình 15 Thay đổi tần số L thay đổi Kết mô cho thấy tần số hệ giảm tăng thông số R, L, C Tuy nhiên, tăng điện trở R tần số hệ thay đổi khơng đáng kể Hình 17 thể lượng tích lũy thay đổi điện dung tụ từ 0,22 μF đến μF 3.4 Năng lượng tích lũy thay đổi điện dung tụ 146 sức điện động tự cảm thời nạp tụ) điện dung tụ C (phương trình 5) Su thay doi nang luong tich luy theo dien dung tu 22 480 20 360 18 240 16 120 14 Dien dung tu C(F) Suc dien dong tu cam V1(V) Nang luong tich luy Wc(mJ) Nang luong tich luy V1 -6 x 10 Hình 17 Thay đổi lượng tích lũy tụ thay đổi điện dung tụ từ 0,22 μF – μF Năng lượng tích lũy tụ giảm tăng điện dung tụ Năng lượng tích lũy cao 20,7 mJ điện dung tụ C = 0,22 μF Năng lượng đánh lửa điện cảm [1]: 𝑊đ𝑡 = 𝐿 𝐼𝑛𝑔 (7) Công thức (7) cho thấy lượng cấp cho trình đánh lửa điện cảm khơng đổi cường độ dịng sơ cấp không thay đổi thay đổi điện dung tụ KẾT LUẬN Ở trình đánh lửa điện cảm, lượng đánh lửa điện cảm phụ thuộc vào hai thơng số cường độ dịng sơ cấp độ tự cảm (phương trình 7) Như vậy, thay đổi thông số điện trở, điện dung điện cảm, lượng đánh lửa điện cảm lượng tích lũy cho đánh lửa điện dung bị thay đổi Khi thay đổi điện dung tụ, sức điện động tự cảm thay đổi, cường độ dòng sơ cấp lại khơng bị ảnh hưởng Do đó, lượng đánh lửa điện cảm không thay đổi Do thời gian nạp tụ lớn thời nạp tụ nhiều lần nên tụ nạp đầy với điện áp nạp tụ gần sức điện động tự cảm cực đại Năng lượng tích lũy giảm tăng điện dung tụ Đối với hệ thống đánh lửa thông thường, lượng đánh lửa yêu cầu 15 mJ Tuy nhiên để tăng thời gian trì tia lửa bu-gi tính tổn thất hệ thống lượng đánh lửa vào khoảng 30 mJ ÷ 50 mJ [2, 7, 8, 9] Theo mơ hình 17, lượng tích lũy tụ thấp 15,9 mJ tụ có điện dung C = μF cao 20,7 mJ tụ có điện dung C = 0,22 μF Như vậy, lượng tích lũy tụ cao mức tối thiểu để hệ thống đánh lửa hoạt động Khi sử dụng hệ thống Hybrid động bốn xy lanh, có ba tụ sử dụng nên lượng tích lũy lên đến 45 mJ, vượt nhiều lần mức lượng tối thiểu cần thiết để đánh lửa Ở trình đánh lửa điện dung, lượng đánh lửa phụ thuộc vào hai thông số điện áp tụ VC (vốn phụ thuộc vào cực đại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động cơ, pp.122-137, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2013 [2] Robert Bosch GmBh, Automotive Electric/Electronic System, Dipl.Ing (FH) Horst Bauer, 1995 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, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 2015 [3] ThS [4] ThS Đỗ Quốc Ấm, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, ThS Phan Nguyễn Quí Tâm, KS Lê Khánh Tân, Tính toán sức điện động tự cảm hệ thống đánh lửa lai, tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 32, 2015 147 [5] Sen-Ben Liao, Peter Dourmashkin, John Belcher, Introduction to Electricity and Magnetism: MIT 8.02 Course Notes, 2011 [6] Singiresu S.Rao, Mechanical Vibrations (Fifth Edition), Prentice Hall, 2010 [7] John B Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company, 1998 [8] Konrad Reif Ed, Gasoline Engine Management, Springer Vieweg, 2015 [9] Terrence Lyle Williamson, Ignition system requirements and their application to the design of capacitor discharge ignition system, Naval postgraduate school Monterey, California, 1971 Thông tin liên hệ tác giả (người chịu trách nhiệm viết): Họ tên: Nguyễn Tấn Ngọc Đơn vị: Học viên cao học Điện thoại: 0909140406 Email: tanngoc46@yahoo.com.vn 148 S K L 0 ... luận văn 1.6 Ý nghĩa khoa học tính cấp thiết đề tài: Đề tài ? ?Đánh giá khả tích lũy lượng tự cảm hệ thống đánh lửa lai? ?? nhằm đánh giá khả tích lũy lượng, sở để xác định hệ thống đánh lửa lai có khả. .. tượng nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa  Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá khả tích lũy lượng tự cảm hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung – điện cảm động xăng có bốn sáu xy lanh, đánh lửa trực tiếp sử... mục đích đánh giá khả tích lũy lượng tự cảm mơ hình hệ thống đánh lửa lai 1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài: 1.2.1 Trong nước:  Bài báo “ Tính tốn sức điện động tự cảm hệ thống đánh lửa lai? ?? nhóm