Nghiên cứu, tính toán, chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm sử dụng bo-bin đơn

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu, tính toán, chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm sử dụng bo-bin đơn

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỖ QUỐC ẤM NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HỖN HỢP ĐIỆN DUNG- ĐIỆN CẢM SỬ DỤNG BO-BIN ĐƠN TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/ năm 2020
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Người hướng dẫn khoa học I: PGS. TS Đỗ Văn Dũng Người hướng dẫn khoa học II: TS Lâm Mai Long Luận án tiến sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN ÁN TIẾN SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Ngày tháng năm 2020
3. CÁC KẾT QUẢ ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Am Do Quoc, Dung Do Van, Le Khanh Diem, Tan Le Khanh. An Application of hybrid method for improving of ignition system in small power explosion engine. International conference on advances in civil, structural and mechnical engineering, 21-22 February, 2015, pp. 31. 2. Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng. Lê Khánh Tân. Nghiên cứu mô hình đánh lửa hybrid. Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí Thành phố Hồ Chí Minh, 6-11-2015, tr. 411. 3. Đo Van Dung, Do Quoc Am, Nguyen Tan Ngoc. Effects of Resistance, Capacitance and Self-Inductance on Accumulated Energy in the Hybrid Ignition system. International conference on system science and engineeing Hochiminh city, July 21-23rd/2017, pp.349. 4. Do Quoc Am, Đo Van Dung, Nguyen Tan Ngoc. Estimation of the Accumulated Energy in the Hybrid Ignition System.International conference on green technology and sustainable development Hochiminh city, November 23rd–24th, 2018, pp.201. 5. Đinh Tấn Ngọc, Đỗ Văn Dũng. Đỗ quốc Ấm. Nghiên cứu, đánh giá một số phương pháp mới đo tốc độ động cơ. Tạp chí khoa học và giáo dục kỹ thuật trường ĐHSPKT. TPHCM, số 30, tháng 11-2014. 6. Đỗ quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan Nguyễn Quí Tâm, Lê Khánh Tân. Tính toán sức điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai. Tạp chí khoa học và giáo dục kỹ thuật trường ĐHSPKT.TPHCM, số 32, tháng 4- 2015. 7. Phan Nguyễn Quí Tâm, Đỗ Văn Dũng, Đỗ quốc Ấm, Nguyễn Bá Hải. Nghiên cứu, thi công hệ thống tích lũy năng lượng điện dạng cảm kháng trên ô tô. Tạp chí khoa học và giáo dục kỹ thuật trường ĐHSPKT. TPHCM, số 32, tháng 4 – 2015. 8. Do Quoc Am, Đo Van Dung, Nguyen Tan Ngoc. Effects of capacitor onthe hybrid ignition system. Journal of Applied Mechanics and Materials (ISSN print 1660-9336 and ISSN web 1662-7482) SWITZERLAND, Mar 06th , 2019. 9. Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Nguyễn Tấn Ngọc. Phân tích quá trình đánh lửa điện dung trên hệ thống đánh lửa lai hỗn hợp điện dung - điện cảm. Tạp chí khoa học và giáo dục kỹ thuật trường ĐHSPKT. TPHCM, số 57, 2020.
4. Mở đầu Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn đề tài nghiên cứu Khi làm việc, trên cuộn sơ cấp của bobin xuất hiện sức điện động tự cảm e1=W1(dΦ/dt) (từ 100-300V) [1, 4]. Điện áp tự cảm này là nguyên nhân chính gây hư hỏng các thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp (vít lửa hay transistor công suất) làm tiếp điểm bị cháy, rỗ hay làm hỏng transistor công suất lẫn các linh kiện điện tử khác và làm kéo dài thời gian triệt tiêu dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobin. Qua đó, làm giảm giá trị cực đại của điện áp thứ cấp. Ngoài ra, sự phóng điệncũng này gây nhiễu, làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị điện và điện tử khác trên ô tô Để tận dụng phần năng lượng “thừa” này, ta có thể tích lũy một phần sức điện động tự cảm trên vào một tụ điện và sử dụng phần năng lượng này cho các lần đánh lửa sau. Như vậy, ta vừa đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng đánh lửa, vừa bảo vệ được cho thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp khỏi các tác hại của sức điện động tự cảm trên, nâng cao được chất lượng đánh lửa trên hệ thống và chống nhiễu cho các thiết bị điện khác trên ô tô. 1.2 Các kết quả trong và ngoài nước về lĩnh vực nghiên cứu đã công bố 1.2.1 Các kết quả ngoài nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 1.2.3 Kết luận – Đề xuất nghiên cứu Hướng nghiên cứu phối hợp cả hai kiểu đánh lửa điện dung - điện cảm có sử dụng sử dụng một phần năng lượng tự cảm (trong giai đoạn đánh lửa điện cảm) cho giai đoạn đánh lửa điện dung chưa được đề cập trên các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu và mong muốn đạt được 1.3.1 Mục tiêu chính của luận án Nghiên cứu chứng minh tính khả thi của hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung và điện cảm (HTĐL) sử dụng bobin đơn: một giải pháp tận dụng năng lượng dự trữ từ giai đoạn đánh lửa điện cảm, sử dụng cho giai đoạn đánh lửa điện dung. Qua đó tiết kiệm được năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa.,giảm ô nhiễm môi trường và các tác hại xấu đến các thiết bị điện khác trên ô tô. 1.3.2 Mong muốn đạt được 1.4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 1
5. 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đánh lửa sử dụng trên động cơ xăng. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Khảo sát, nghiên cứu, mô phỏng, thực nghiệm và chế tạo hệ thống đánh lửa trực tiếp sử dụng bobin đơn (một bobin đánh lửa cho một bugi) phối hợp giữa hệ thống đánh lửa điện cảm và điện dung (dùng trên động cơ ô tô bốn xylanh) có khả năng tích lũy một phần năng lượng tự cảm trên các bobin đánh lửa điện cảm và sử dụng phần năng lượng này cho quá trình đánh lửa điện dung. 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu tham khảo tài liệu, tính toán, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng 1.5 Các nội dung chính và dự kiến kết quả nghiên cứu 1.5.1 Dự kiến các nội dung trong đề tài 1.5.2 Dự kiến kết quả nghiên cứu Các bước thực hiện trong luận án được thể hiện theo sơ đồ nghiên cứu sau Bảng 1.1: Lưu đồ nghiên cứu ĐẶT VẤN ĐỀ HTĐL HTĐL điện cảm điện dung Nghiên cứu chứng minh tính khả thi của hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung và điện cảm (HTĐL) sử dụng bobin đơn: mộtgiải pháp tận dụng năng lượng dự trữ từ giai đoạn đánh lửa điện cảm, sử dụng cho giai đoạn đánh lửa điện dung. Qua đó tiết kiệm được năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT Phân tích CSLT của HTĐL hỗn hợp trên động cơ đánh lửa cưỡng bức nhiều xylanh: 1. Khảo sát đặc tính HTĐL hỗn hợp 02 giai đoạn đánh lửa: điện dung, điện cảm 2. Xây dựng mô hình toán đánh giá thông số chính của HTĐL hỗn hợp 3. Xây dựng nguyên tắc thiết kế, lựa chọn cấu hình tụ phù hợp HTĐL hỗn hợp 4. Mô phỏng đánh giá thông số đặc tính chính của HTĐL hỗn hợp theo điều kiện vận hành của động cơ 2
6. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM Nghiên cứu đánh giá HTĐL hỗn hợp trên động cơ thực nghiệm nhiều xylanh: 1. Thiết kế chế tạo và lắp đặt HTĐL hỗn hợp trên động cơ 04 xylanh; 2. Đánh giá thực nghiệm đối chứng thông số đặc tính tiêu biểu (moment, TTNL, ) của động cơ khi sử dụng HTĐL hỗn hợp vàHTĐL truyền thống, trong các điều kiện vận hành cụ thể (tải và tốc độ thay đổi dãy rộng). KẾT QUẢ, BÀN LUẬN Đánh giá hai kết quả chính: 1. Đánh giá khả năng thu hồi, tích lũy sức điện động tự phụccảm vụ cho giai đoạn đánh lửa điện dung 2. Ảnh hưởng của HTĐL hỗn hợp đến tính năng vận hành (thông số đặc tính ngoài tiêu biểu) của động cơ cụ thể HTĐL hỗn hợp điện dung- điện cảm Ghi chú: HTĐL: Hệ thống đánh lửa, CSLT:Cơ sở lý thuyết, TTNL: Tiêu thụ nhiên liệu Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nhiệm vụ của hệ thống đánh lửa 2.2 Quá trình cháy trên động cơ đốt trong dùng nhiên liệu xăng 2.3 Các thông số chủ yếu của hệ thống đánh lửa 2.3.1 Hiệu điện thế thứ cấp cực đại V2m 2.3.2 Hiệu điện thế đánh lửa Vđl [1, 4] 2.3.3 Hệ số dự trữ Kdt 2.3.4 Tốc độ biến thiên của hiệu điện thế thứ cấp S [1, 32] 2.3.5 Tần số và chu kỳ đánh lửa [1] 2.3.6 Thời gian tích lũy năng lượng (tđ) 2.4 Năng lượng đánh lửa 2.4.1 Phân tích năng lượng của tia lửa điện [5,16] 2.4.2 Một số các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng đánh lửa 3
7. 2.5 Hệ thống đánh lửa điện cảm [1,32] 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 2.6. Bộ chia điện S/ Rf W L2 L1 Accu Bobin Cảm biến T Bộ đánh lửa . Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa điện cảm [1,32] Quá trình đánh lửa được chia làm ba giai đoạn 2.5.1 Giai đoạn tăng trưởng dòng điện sơ cấp 2.5.2 Giai đọan ngắt dòng điện ở cuộn sơ cấp [1,32] 2.5.3 Giai đoạn phóng điện ở điện cực bugi [1,4,32] 2.5.4 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 xylanh ở hầu hết các chế độ làm việc của động cơ [5, 6, 36] - 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] Nhược điểm -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, 4,37] - Ở tốc độ cao do không đủ thời gian tăng trưởng dòng sơ cấp nên điện áp thứ cấp sẽ giảm. [1, 4, 37] - 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, 32, 37] 4
8. 2.6 Hệ thống đánh lửa điện dung 2.6.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa điện dung (CDI- capacitor discharged ignition)[32] Hệ thống đánh lửa CDI bao gồm một bộ tạo dao động, biến áp, tụ tích năng và bộ điều khiển quá trình xảnăng 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. Hình 2.12: Sơ đồ khối của hệ thống đánh lửa điện dung. 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 khoảng 300- 400V. Các xung này được chỉnh lưu qua diode và nạp cho tụ tích năng. Khicó 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 và về cực âm của tụ điện, điều này 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. 2.6.2 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, điệnvì tụ có khả năng nạp rất nhanh và được tính toán luôn được nạp đầy, ở số vòng quay cao nhất của động cơ. [1,34,37] • Hiệu điện thế thứ cấp tăng trưởng nhanh nên tăng được độ nhạy đánh lửa, không phụ thuộc vào điện trở rò ở bugi.[1,4, 34] • Hiệu điện thế thứ cấp trên hệ thống đánh lửa điện dung (30kV- 60kV) lớn hơn trên hệ thống đánh lửa điện cảm (7- 40kV) [1, 34]. 5
9. Nhược điểm Thời gian phóng nạp của tụ điện là rất ngắn nên thời gian tồn tại tia lửa bugi là rất ngắn, chỉ từ (0,1 - 0,3) ms [5, 38] nên: • Hòa khí sẽ khó bén lửa nếu quá loãng. [1, 5, 32] • Khe hở điện cực bugi lớn (để tăng diện tích tiếp xúc với hỗn hợp) nên điện cực bugi mau mòn [1, 32]. 2.7 Sức điện động tự cảm Như ta đã biết, sự thay đổi từ trường quanh một dây dẫn sẽ tạo nên một sức điện động cảm ứng ở trong dây đó. Nếu cho một dòng điện trị số biến đổi đi qua một dây dẫn dây thì từ trường chung quanh nó sẽ biến đổi và trong dây sẽ phát sinh sức điện động cảm ứng Chương 3 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH - MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HỖN HỢP ĐIỆN DUNG - ĐIỆN CẢM 3.1. Xây dựng mô hình toán cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp 3.1.1 Giới thiệu mô hình đánh lửa hỗn hợp Hình 3.1: Mô hình nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm (sử dụng cho động cơ 4 xy-lanh) Hệ thốngđánh lửa hỗn hợp (trên Hình 3.1), bao gồm hai giai đoạn làm việc: giai đoạn đánh lửa điện cảm và giai đoạn đánh lửa điện dung. Ở giai đoạn đánh lửa điện cảm, ECU động cơ sẽ điều khiển quá trình đánh lửa của các tổ máy 1, 2, 3 (đánh lửa điện cảm), thông qua các tín hiệu IGT1, IGT2, IGT3. Năng lượng tự cảm “thừa” trên 6
10. các BOBIN1, BOBIN2, BOBIN3, sẽ được tích lũy vào các tụ C1, C2, C3. Ở giai đoạn đánh lửa điện dung, tương ứng với thời điểm làm việc của tổ máy 4, tín hiệu IGT4 sẽ điều khiển SCR mở. Năng lượng tích lũy trên các tụ C1, C2, C3 sẽ được giải phóng đến cuộn dây sơ cấp của BOBIN 4, tạo ra quá trình đánh lửa ở tổ máy 4. 3.1.2 Các lý luận xây dựng mô hình tính toán Nhằm đơn giản hóa quá trình tính toán nhưng vẫn cho phép xác định tốt nhất các đặc trưng của mạch đánh lửa hỗn hợp: a. Không xét đến ảnh hưởng của dòng điện thứ cấp 푖2 (tia lửa điện trên bugi) lên mạch sơ cấp. b. Không xét đến các tổn hao từ thông, tổn hao trên điện trở mạch thứ cấp trong quá trình tính toán. c. Không xét đến quá trình chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt ở tia lửa điện. d. Không xét đến vai trò của diode D trong quá trình tính toán để giảm bớt đặc tính phi tuyến của mạch đánh lửa. Đáp ứng của mạch đánh lửa hỗn hợp thực tế (cụ thể là điện áp trên tụ C1) có thể được suy ra từ đáp ứng tính toán không có diode D. e. Đáp ứng quá độ sau khi được tính toán từ mô hình sẽ được hiệu chỉnh bằng các hệ số thực nghiệm. f. Tại thời điểm ngắt dòng sơ cấp sức điện động tự cảm xuất hiện rất lớn so với điện áp accu. Vì vậy có thể giả thuyết là điện áp trên mạch sơ cấp xấp xỉ với sức điện động tự cảm. Trong nghiên cứu này, mô hình toán của mạch đánh lửa hỗn hợp như biểu diễn ở các hình 3.3 và 3.4 được xây dựng qua 2 bước:Bước 1: xây dựng mô hình toán của mạch đánh lửa hỗn hợp sử dụng các giả thiết trên. Bước 2: hiệu chỉnh mô hình toán với các hệ số thực nghiệm. 3.1.3 Xây dựng mô hình toán của hệ thống đánh lửa hỗn hợp 3.1.3.1 Các tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp - giai đoạn đánh lửa điện cảm 3.1.3.2 Giai đoạn tích lũy năng lượng 3.1.3.3 Giai đoạn ngắt dòng điện sơ cấp 3.1.3.4 Đánh giá tần số của i1(t) và V1(t) 3.1.3.5 Nhận xét: Đáp ứng quá độ của dòng điện sơ cấp 푖1 từ sau thời điểm ngắt dòng sơ cấp 푡 푡 푖1(푡) = 푒 cos( 푡) + 푒 sin⁡( 푡) (3.9) Sức điện động tự cảm xuất hiện trên cuộn sơ cấp 1 từ sau thời điểm ngắt dòng sơ cấp 푡 푡 1(푡) = −퐿1[( + )푒 cos( 푡) + ( − )푒 sin( 푡)] (3.10) 7
11. 2 Tần số của V1(t) và i1(t) : 휔 = = √ − (3.12) 4 Chu kỳ dao động của hệ: 2 2 휏 = = (3.13) 휔 2 1 푅 √ [1−( ) ] 퐿1 1 2√퐿1⁄ 1 = − = 0 2 0 2 = = √ − 1 Với 4 và 퐿1+푅 1 = − 퐿1 1 2 = 푅+ 2 √ − = { 4 { 퐿1 1 3.2 Hiệu chỉnh mô hình toán của hệ thống đánh lửa hỗn hợp với các hệ số thực nghiệm Mô hình toán cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp, vì thế cần sử dụng các hệ số hiệu chỉnh để có thể mô tả chính xác hơn đáp ứng của hệ thống đánh lửa trong điều kiện thực tế (có đánh lửa và các tổn thất năng lượng đã nêu), cụ thể: 훽0 푡 훽0 푡 푖1(푡) = 훼0[ 푒 표푠( 푡) + ⁡ 푒 푠푖푛( 푡)] (3.14) 훽0 푡 훽0 푡 1(푡) = −훼0퐿1[(훽0 + )푒 표푠( 푡) + (훽0 − )푒 푠푖푛( 푡)] (3.15) Trong đó: 훼0 đặc trưng cho sự sụt giảm của 푖1 và 1; và 훽0 đặc trưng cho sự tắt dần nhanh hơn của 푖1 và 1. 3.2.1 Kiểm chứng tính hợp lệ và độ chính xác của mô hình toán cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp đã xây dựng 3.2.2 Đáp ứng dòng điện sơ cấp 풊 và điện áp sơ cấp 푽 thực nghiệm i1 V1 V1 i 1 t ton toff = tđ Hình 3.5: Đáp ứng thực nghiệm của mạch đánh lửa hỗn hợp - dòng điện sơ cấp 푖1 và sức điện động tự cảm V1 8
12. 3.2.3 Đáp ứng dòng điện sơ cấp 풊 và điện áp sơ cấp 푽 tính toán từ mô hình 3.2.3.1 Đáp ứng tính toán từ mô hình 3.2.3.2 Đáp ứng tính toán từ mô hình hiệu chỉnh Các phương trình i1(t) và V1(t) sau hiệu chỉnh 5 푡 5 푡 푖1(푡) = 0,7[ 푒 표푠( 푡) + ⁡ 푒 푠푖푛( 푡)] (3.16) 5 푡 5 푡 1(푡) = −0,7퐿1[(5 + )푒 표푠( 푡) + (5 − )푒 푠푖푛( 푡)] (3.17) (A) 1 i Thời gian (s) Thời gian (s) Hình 3.8: Đáp ứng tính Hình 3.9: Đáp ứng tính toán toán dòng điện sơ cấp 푖 điện áp sơ cấp 1 1 3.2.3.3 Đánh giá độ chính xác của mô hình đánh lửa hỗn hợp đã xây dựng (V) m 1 (A) V m 1 i Thời gian tích lũy năng lượng tđ (s) Thời gian tích lũy năng lượng tđ (s) Hình 3.10: So sánh cực đại Hình 3.11: So sánh cực đại sức điện động tự cảm V1m theo cường độ dòng điện i1m theo lý lý thuyết và thực nghiệm ở các thuyết và thực nghiệm ở các thời gian tích lũy năng lượng thời gian tích lũy năng lượng sơ cấp 푡đ khác nhau. sơ cấp 푡đ khác nhau. 9
13. 3.3 Hàm truyền của hệ thống đánh lửa hỗn hợp Hàm truyền của hệ thống thể hiện mối quan hệ giữa điện áp nạp tụ V1m với thời gian tích lũy năng lượng tđ. Quan hệ này được biểu diễn bởi hình 3.13. (V) 1m V Thời gian tích lũy năng lượng tđ (s) Hình 3.13: Quan hệ điện áp nạp tụ V1m và thời gian tích lũy năng lượng tđ Từ quan hệ này ta thấy khi tăng thời gian tích lũy năng lượng tđ, điện áp nạp tụ 2 sẽ tăng. Lúc này, năng lượng tích lũy trên tụ C1 sẽ tăng theo (Wđd =⁡ 1 1 /2). 3.4 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số trong hệ thống đến đặc tính hệ thống đánh lửa hỗn hợp 3.4.1 Ảnh hưởng của tổng trở mạch sơ cấp R đến giá trị V1 (t), i1(t) 3.4.2 Ảnh hưởng của hệ số tự cảm L1 của cuộn sơ cấp đến đặc tính hệ thống 3.4.3 Ảnh hưởng của dung lượng tụ C1 đến đặc tính hệ thống 3.4.3.1 Ảnh hưởng của điện dung C1 đến thời gian tích lũy năng lượng điện dung 3.4.3.2 Ảnh hưởng của điện dung tụ C1 đến điện áp sơ cấp cực đại V1m và điện áp thứ cấp cực đại V2m 3.4.3.3 Ảnh hưởng của điện dung tụ C1 đến năng lượng đánh lửa điện cảm Wđc và năng lượng đánh lửa điện dung Wđd Theo định luật bảo toàn năng lượng (nếu không kể đến các mất mát) ta có thể đưa ra phương trình sau: WL= Wđd + Wđc (3.21) Trong đó: WL: Năng lượng tích lũy trên một cuộn sơ cấp của bobin đánh lửa điện cảm ở cuối giai đoạn tích lũy năng lượng. Wđd: Năng lượng tích lũy trên tụ điện ở mạch đánh lửa điện cảm (phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện dung). Wđc: Năng lượng còn lại phục vụ đánh lửa điện cảm 10
14. WL = 36,6 (mJ) mJ Wđc ch lũy í Wđ d Năng Năng lượng t Điện dung của tụ C1 (µF) Hình 3.22: Sự thay đổi của năng lượng tích lũy trên cuộn sơ cấp của bobin WL, năng lượng tích lũy trên tụ điện Wđd và năng lượng phục vụ đánh lửa điện cảm Wđc theo điện dung của tụ C1 2 Năng lượng trên tụ sẽ được tích lũy đến giá trị Wđd =⁡ 1 1 /2, phần năng lượng này sẽ phục vụ cho quá trình đánh lửa điện dung. Như vậy, năng lượng còn lại phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện cảm sẽ bằng giá trị Wđc = WL-Wđd Sử dụng các số liệu của Bảng 3.1, tính toán được các giá trị năng lượngW L, Wđd, Wđc (trên một bobin), thể hiện trên đồ thị Hình 3.22. Tụ điện C1 trên mạch không tham gia vào quá trình tăng trưởng của dòng điện đi qua cuộn sơ cấp. Vì vậy, khi giữ nguyên các thông số của cuộn dây sơ cấp của bobin (đánh lửa điện cảm), điện áp của hệ thống V= 12,6V và thời giantích lũy năng lượng tđ (tđ-min = 3,5 ms). Năng lượng tích lũy trên một cuộn sơ cấp của bobin đánh lửa điện cảm ở cuối quá trình tích lũy năng lượng (dòng điện iđ đạt giá trị cực đại) WL = 36,6mJ. Wđd: Năng lượng tích lũy trên tụ điện C1 ở mạch đánh lửa điện cảm (Wđd 2 =⁡ 1 1m/2sẽ đạt giá trị cực đại tại một giá trị dung lượng nhất định của tụ, sau đó giảm dần (khi tăng dung lượng tụ C1). Wđc: Năng lượng còn lại phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện cảm Wđc = WL- Wđd. . Wđc có xu hướng ngược lại với diễn biến của Wđd. 11
15. 3.5 Cơ sở lựa chọn cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp và dung lượng tụ phù hợp WL = 36,6 mJ ) mJ ( W đánh lửa W = 20 mJ WL – tđ = 3,5ms Wđd – cấu hình 3/1 Năng lượng Wđd – cấu hình 2/1 Wđd – cấu hình 1/1 Wđc – cấu hình 1/1 Điện dung của tụ C1 (µF) ( V) 2m V 15kV Điện cựcđại đánh lửa áp 1,75 휇퐹 Điện dung của tụ C1 (µF) D-lượng tụ C1 - CH 2/1= 0,15 - 1,75 µF D-lượng tụ C1- CH 3/1= 0,05 - 1,75 µF Hình 3.23: Hệ thống đồ thị phục vụ xác định dung lượng tụ C1 trên hệ thống đánh lửa hỗn hợp 3.5.1 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: 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 C1 đến các năng lượng đánh lửa (nội dung 3.3.2.3), năng lượng phục vụ đánh lửa điện dung Wđd càng lớn, thì năng lượng điện cảm càng giảm. Để đảm bảo tia lửa điện cảm có đủ 12
16. năng lượng đốt cháy hòa khí, năng lượng dành cho đánh lửa điện dung Wđd có thể không đủ để đốt cháy hòa khí. Do vậy, các cấu hình 2/1 hay 3/1 có thể được sử dụng để khắc phục trở ngại này. Tuy nhiên, nếu càng lớn thì hiệu quả tiết kiệm năng lượng càng giảm. Bên cạnh đó, giá trị tụ C1 có ảnh hưởng đến khả năng hình thành tia lửa điện ban đầu, thể hiện qua điện áp cực đại ở cuộn thứ cấp V2m (nội dung 3.3.3.2) Vì vậy, với một động cơ có số xi-lanh M cụ thể, chọn lựa cấu hình N/1 và điện dung tụ C1 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. 3.5.2 Xác định dải dung lượng của tụ C1 phù hợp cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp Dung lượng của tụ C1 sử dụng trên hệ thống đánh lửa hỗn hợp phải thỏa mãn đồng thời các yêu cầu sau: 1 Điện áp thứ cấp V2m phải đủ lớn để có thể có thể hình thành tia lửa phóng qua hai điện cực của bugi, V2m > V2lim = 15kV. (với động cơ xăng đánh lửa trực tiếp, có hệ dư lượng không khí 휆⁡~1 điện áp đánh lửa yêu cầu từ: Vđl = 6 - 14kV) . Do vậy với 2 V2lim hệ số dự trữ năng lượng ⁡퐾 푡 = ~⁡2,5. đ푙 2 Bảo đảm đủ năng lượng đánh lửa cả hai giai đoạn đánh lửa điện dung và đánh lửa điện cảm để đốt cháy được hòa khí. Năng lượng đánh lửa có giá trị tối thiểu phải đạt Wlim = 15mJ [6]. Tuy nhiên, để có phần năng lượng dự trữ, ta chọn giá trị 20 mJ. Với các yêu cầu đã nêu và các thông số từ Bảng 3.1, qua hệ thống đồ thị trên Hình 3.23 ta nhận thấy: - Cấu hình 1/1 không phù hợp, vì năng lượng tích lũy trên tụ điện Wđd⁡ Wlim = 20mJ, thỏa mãn năng lượng đánh lửa cho cả hai giai đoạn đánh lửa: điện cảm và điện dung. Cấu hình 2/1 có thể sử dụng phù hợp cho động cơ 3 hoặc 6 xy-lanh. - Để thỏa yêu cầu 1, cấu hình 3/1 có thể chọn dung lượng của tụ có giá trị: 0,05- 1,75 µF. Vì Trong dải dung lượng của tụ này, các giá trị 3Wđd và Wđc > Wlim = 20mJ, thỏa mãn năng lượng đánh lửa cho cả hai giai đoạn: điện cảm và điện dung. Cấu hình 3/1 co thể sử dụng phù hợp cho động cơ 4 hoặc 8 xy-lanh. 3.6 Các tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp – giai đoạn đánh lửa điện dung 13
17. 3.6.1 Mô hình tính toán Tính toán có thể sử dụng mô hình mạch R-L-C (Hình 3.24) trong đó: Cd: Tụ điện có điện dung tương đương của ba tụ C1, C2, C3 (3µF), S: Công tắc đóng/mở thể hiện hai trạng thái đóng/ngắt của SCR, Ld: Hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp của bobin đánh lửa điện dung, Rd: Tổng trở của mạch sơ cấp đánh lửa điện dung, bao gồm: điện trở của các linh kiện, điện trở cuộn sơ cấpbobin 4, điện trở của các mối nối, Cd Ld R d Hình 3.24: Mô hình tính toán hệ thống đánh lửa hỗn hợp - giai đoạn đánh lửa điện dung 3.6.2 Xây dựng phương trình tổng quát cường độ dòng điện id(t), sức điện động tự cảm ed(t). Như đã trình bày ở phần 3.1, sau quá trình đánh lửa điện dung trên trên cácbobin 1, bobin 2, bobin 3 năng lượng tự cảm sẽ được tích lũy lần lượt trên các tụ C1, C2, C3 (hình 3.1). Các tụ trên sẽ được tích đến giá trị Q0 Dựa vào mô hình tính toán mạnh đánh lửa điện dung (hình 3.24) Ta có thể xây dựng phương trình cân bằng năng lượng trên mạch: 2 1 푄 1 2 W = Wđd + WLd = + 퐿 ⁡푖 (3.24) 2 2 γ Ta có: 푖 (t) = Q ω′e−γt[sin ω′t + ( ) cos(ω′t)] (3.34) 0 ω′ Xây dựng phương trình tổng quát sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp ed(t) Phương trình tổng quát của sức điện động tự cảm được viết dưới dạng 𝑖 (푡) 푒 (푡) = −퐿 (3.35) 푡 Tiến hành đạo hàm phương trình (3.34) ta được: 𝑖 (t) γ2 = Q ω′e−γt [(ω′ − ) cosω′t − 2γsinω′t] dt 0 ω′ γ2 ⇔ 푒 (t) = 퐿 . Q ω′e−γt [(ω′ − ) cosω′t − 2γsinω′t] (3.36) 0 ω′ 3.6.3 Khảo sát các đặc tính hệ thống đánh lửa hỗn hợp – giai đoạn đánh lửa điện dung 3.6.3.1 Cường độ dòng điện id (t) và sức điện động tự cảm ed (t) 14
18. 3.6.3.2 Đánh giá ảnh hưởng tổng trở Rd đến cường độ dòng điện id (t) và sức điện động tự cảm ed (t) 3.6.3.3 Đánh giá ảnh hưởng của hệ số tự cảm Ld đến cường độ dòng điện id(t) và sức điện động ed(t) 3.6.4 Nhận xét Dựa vào các tính toán đã nêu, tác giả đã đề xuất được biểu thức tính toán cường độ dòng điệni d(t) và sức điện động tự ecảm d(t) trên cuộn sơ cấpbobin hệ thống đánh lửa hỗn hợp - giai đoạn đánh lửa điện dung, Các mô phỏng cho thấy, khi tăng giá trị điện trở của mạch Rd, tổn thất năng lượng tăng, làm giảm giá trị cực đại của cường độ dòng điện idm và sức điện động edm. Khi thay đổi hệ số tự cảm trên bobin đánh lửa điện dung Ld, ảnh hưởng rất ít đến giá trị cực đại của sức điện động tự cảmed. Tuy nhiên, giá trị cực đại của cường độ dòng điện id sẽ giảm khi Ld tăng. 3.7 Kết luận chương 3 • Mô hình tính toán đã xây dựng cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm cho phép biểu diễn đúng đặc trưng các đáp ứng của hệ thống, đồng thời cho phép xác định các thông số mạch với độ chính xác cao (sai lệch với thực nghiệm <7%). Điều này chứng tỏ rằng, phương pháp xây dựng mô hình toán cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp đã đề xuất là phù hợp. • Mô hình toán đã xây dựng cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp mang tính tổng quát, và có thể được hiệu chỉnh để xấp xỉ hệ thống đánh lửa hỗn hợp cụ thể bằng cách sử dụng các hệ số hiệu chỉnh phù hợp. • Mô hình toán đã xây dựng cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp, có thể được sử dụng để xác định chính xác các thông số đặc trưng cho hệ thống đánh lửa hỗn hợp như 푊퐿,⁡Wđd và 푊đ . Qua đó, giúp thiết kế hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm. • Xây dựng được cơ sở lựa chọn cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp và dung lượng tụ phù hợp đối với một động cơ có M xy-lanh. • Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số cấu thành hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm đến các đặc tính của hệ thống ớ cả hai giai đoạn đánh lửa điện cảm và đánh lửa điện dung. 15
19. Chương 4 CHẾ TẠO MẠCH ĐÁNH LỬA HỖN HỢP ĐIỆN DUNG- ĐIỆN CẢM 4. 1 Khảo sát hệ thống điều khiển đánh lửa trên động cơ TOYOTA 1NZ-FE theo thiết kế của nhà chế tạo 4.1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển động cơ 4.1.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa sử dụng trên động cơ TOYOTA 1 NZ-FE 4.1.3 Bộ đánh lửa 4.1.4 Điều khiển dòng điện qua cuộn sơ cấp của bobin 4.1.5 Tín hiệu đánh lửa IGT- Ignition timing 4.1.6 Tín hiệu hồi tiếp IGF 4.1.7 Sơ đồ mô tả hệ thống đánh lửa theo thiết kế của nhà chế tạo trên động cơ TOYOTA 1 NZ-FE 4.2 Chế tạo mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm 4.2.1 Cơ sở lý luận khi chế tạo mạch đánh lửa hỗn hợp Dựa vào hệ thống đánh lửa điện cảm do máy tính điều khiển như thiết kếban đầu. Việc chế tạo hệ thống đánh lửa hỗn hợp sẽ giữ lại các cụm chính như: - ECU cùng các hệ thống các cảm biến. Như vậy, các tín hiệu điều khiển đánh lửa IGT đến từng bộ đánh lửa sẽ được đảm bảo như thiết kế của nhà chế tạo. - Các bobin đánh lửa điện cảm và bộ đánh lửa của động cơ1NZ-FE bố trí thành cụm, do không kết nối được tụ điện với cuộn sơ cấp nhằm tích lũy năng lượng tự cảm nên sẽ thay thế bằng bobin sử dụng trên động cơ TOYOTA 1MZ-FE. - Thiết kế thêm hệ thống mạch đánh lửa điện dung. - Nhằm bảo đảm tín hiệu phản hồi IGF như đã trình bày ở phần 4.1.6, hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm phải thiết kế thêm mạch tạo tín hiệu IGF. 4.2.2 Xác định dung lượng tụ C1 Đối với hệ thống đánh lửa hỗn hợp áp dụng trên động cơ 4 xy-lanh TOYOTA 1NZ-FE, người nghiên cứu áp dụng cấu hình 3/1 (3 bobin đánh lửa điện cảm và 1 bobin đánh lửa điện dung). Như vậy dải dung lượng của tụ thỏa các yêu cầu (trong phần 3.4.2), có giá trị: 0,05- 1,75 µF. Dung lượng của tụ C1 được chọn, có giá trị 1µF. Tại giá trị dung lượng của tụ này, năng lượng điện cảm Wđc = 23, 45mJ (> 20 퐽), trong khi năng lượng đánh lửa điện dung tích lũy trên 3 tụ sẽ là 3Wđd = 3.13,15= 39,45mJ (> 20 퐽⁡ −⁡xem Bảng 4.1), đồng thời điện áp đánh lửa cực đại V2m= 18kV> V2lim = 15kV (xem hình 3.21). 16
20. Về mặt năng lượng, lựa chọn này thỏa mãn: yêu cầu (1) - hình thành tia lửa điện cao áp và yêu cầu (2) - bảo đảm đủ năng lượng đánh lửa cả hai giai đoạn đánh lửa điện dung và đánh lửa điện cảm để đốt cháy được hòa khí (xem phần 3.5.2).Các tính toán năng lượng trên tương ứng với thời gian tích lũy năng lượng nhỏ nhất tđ = 3, 5 ms - tương ứng với tốc độ lớn nhất của động cơ. Khi giảm tốc độ động cơ, các năng lượng tích lũy tương ứng sẽ tăng lên (xem Bảng 4.1) 4.2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm (sử dụng cho động cơ 4 xy-lanh) 4.2.4 Chế độ đánh lửa điện cảm 4.2.5 Chế độ đánh lửa điện dung 4.2.6 Mạch tạo tín hiệu IGF 4.2.7 Khảo sát sức điện động trên hệ thống đánh lửa hỗn hợp 4.2.8 Ước lượng tuổi thọ của mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung – điện cảm Mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm được thiết kế dựa trên các các bộ phận của mạch đánh lửa của hãng và phần mạch thiết kế mới. Tuổi thọ của mạch được ước lượng T~ 2709 giờ. 4.3 Kết luận chương 4 Từ những đặc điểm trong thiết kế, chế tạo và nguyên lý hoạt động của mạch đánh lửa hỗn hợp điện dung-điện cảm có thể đưa ra các nhận xét sau: - Do sử dụng các tín hiệu điều khiển thời điểm đánh lửa (IGT) từ hệ thống điều khiển động cơ, với tất cả các đặc tính sẵn có của hệ thống, nên có thể bảo đảm được các tính năng của hệ thống đánh lửa như: thời điểm đánh lửa và khả năng tích lũy năng lượng (thông qua giá trị tđ) của hệ thống khi làm việc. - Hệ thống chỉ sử dụng năng lượng từ các tín hiệu đánh lửa (IGT) để điều khiển mạch hoạt động, mà không cần sử dụng thêm năng lượng từ bên ngoài. Vì vậy, bảo đảm tính tiết kiệm năng lượng theo ý tưởng đã đưa ra. - Trong quá trình làm việc. các chi tiết trên hệ thống đánh lửa sẽ chịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao trong quá trình làm việc của động cơ. Các chi tiết như bobin và transistor T1-3 được sử dụng các linh kiện theo hãng. Ngoài ra, các linh kiện bán dẫn sử dụng trên hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm, có nhiệt độ làm việc thỏa mãn nhiệt độ khoang động cơ (xem chi tiết tại Phụ lục 4). - Thêm vào đó, trong trường hợp bố trí hệ thống đánh lửa hỗn hợp trong khoang động cơ, các thông số chính ảnh hưởng đến khả năng tích lũy năng lượng trên mạch thay đổi giá trị (xem bảng 4.2). Tuy nhiên, năng lượng phục vụ cho quá trình làm việc của hệ thống vẫn thỏa mãn các yêu cầu đặt ra (xem bảng 4.3). 17
21. - Tuổi thọ của hệ thống phù hợp với yêu cầu chung của các hệ thống trên ôtô - Kết cấu của toàn mạch đơn giản, linh kiện dễ kiếm, kích thước mạch nhỏ gọn có thể bố trí và lắp đặt dễ dàng trong khoang động cơ hoặc trong khoang hành khách. Hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm được thực hiện trong luận án đáp ứng được yêu cầu tiết kiệm năng lượng, làm việc ổn định, có tuổi thọ đáp ứng được yêu cầu làm việc của động cơ. Chương 5 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 5.1 Thực nghiệm đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm 5.1.1 Nội dung thực nghiệm - Xây dựng các đường đặc tính thể hiện công suất có ích Ne = f(n) và moment có ích Me= f(n) theo số vòng quay tại các vị trí tải 20%, 35%, 50%, 75%, 100% khi sử dụng hệ thốngđánh lửa điện cảmtheo thiết kế ban đầuvà khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm. - Xây dựng các đặc tính lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ Gnl (g/h) và suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/kW.h) tại vị trí tải 100%, khi sử dụng hệ thống đánh lửa điện cảm và khi sử dụng hệ thống đánh lửahỗn hợp điện dung - điện cảm. - Đánh giá chất lượng khí thải của động cơkhi sử dụng hệ thống đánh lửa điện cảm và khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm. 5.1.2 Đối tượng thực nghiệm 5.1.3 Các yêu cầu đối với thiết bị thực nghiệm 5.1.4 Trang thiết bị thực nghiệm 5.1.5 Sơ đồ bố trí trang thiết bị thí nghiệm 5.2 Các qui trình thực nghiệm 5.2.1 Xác định đặc tính Momen có ích (Me= f(n) và công suất có ích (Ne)= f(n) 5.2.2 Xác định lượng tiêu nhiên liệu theo giờ (Gnl) và suất tiêu hao nhiên liệu riêng (ge) 5.2.3 Đánh giá chất lượng khí thải 5.3 Kết quả thực nghiệm và nhận xét 5.3.1 Đặc tính công suất có ích Ne= f(n) và moment có ích Me= f(n) 18
22. Chế độ 20% tải ) ) Nm kW ( ( Công suất NT Công suất hỗn hợp ích có Moment Cống suất íchCống suất có Moment NT Moment hỗn hợp Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 5.3: Đồ thị công suất có ích Ne, moment có ích Me ở chế độ 20% tải của hệ thống đánh lửa (HTĐL) nguyên thủy và HTĐL hỗn hợp điện dung - điện cảm Từ đồ thị ta thấy, động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa (HTĐL) theo thiết kế của nhà chế tạo, công suất có ích cực đại đạt 16,3 kW tại 3.250 vòng/phút, moment có ích cực đại đạt 72,4 Nm tại 1.000 vòng/phút (các đường Công suất NT và Moment NT). Khi động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm: công suất có ích cực đại có giá trị 16,6 kW tại 3.280 vòng/phút, moment có ích cực đại có giá trị 72,1 Nm tại 1.000 vòng/phút (các đường Công suất Hỗn hợp và Moment hỗn hợp). Ngoài ra, ở vị trí bướm ga 20%, khi càng tăng số vòng quay động cơ, tổn thất trên đường ống nạp tăng, làm lượng khí nạp thực tế giảm xuống, dẫn đến moment có ích của động cơ đạt cực trị tại số vòng quay nhỏ nhất. Chế độ 100 % tải ) kW ( ) Nm ( Công suất NT Công suất hỗn ích có Moment Momenthợp NT Công suất có ích ích có suất Công Moment hỗn hợp Tốc độ động cơ (vòng/ phút) Hình 5.7: Đồ thị công suất có ích Ne, moment có ích Me ở chế độ 100% tải của HTĐL nguyên thủy và HTĐL hỗn hợp điện dung - điện cảm 19
23. Đồ thị 5.7 cho thấy rằng động cơ khi sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy có công suất có ích cực đại đạt giá trị 64,8 kW tại 5.850 vòng/phút và moment đạt cực đại 111,9 Nm tại 2750 vòng/phút (các đường Công suấtNT và Moment NT trên hình 5.7). Khi động cơ hoạt động với hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm, công suất có ích cực đại của động cơ đạt giá trị 64,6 kW tại 5.860 vòng/phút và moment có ích cực đại có giá trị 112,3 Nm tại 2750 vòng/phút (các đường Công suất Hỗn hợp, Moment hỗn hợp trên hình 5.7). Thực hiện so sánh cho thấy, các sai lệch về công suất đỉnh Nemax và momen Memax của động cơ khi sử dụng hệ thống đánh lửa điện cảm và hệ thống đánh lửahỗn hợp điện dung - điện cảm là không đáng kể. Tuy nhiên, do động cơ thực nghiệm đã qua sử dụng nên cả hai giá trị Ne cực đại và Me cực đại, khi sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy và cả khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm có giá trị nhỏ hơn khoảng 20% so với giá trị của nhà chế tạo công bố (xem bảng 5.1). Điều này cho thấy năng lượng tự cảm tích lũy trên các bobin đánh lửa điện cảm đủ lớn để thực hiện việc hình thành và duy trì tia lửa nhằm đốt cháy hỗn hợp ở tổ máy 4 (thực hiện đánh lửa điện dung) 5.3.2 Đánh giá tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm ) ) g/h ( g/kWh nl ( e G Gnl NT g Gnl hỗn hợp ge NT ge hỗn hợp Tốc độ động cơ (vòng/phút) Hình 5.8: Đồ thị lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ (Gnl) và suất tiêu hao nhiên liệu riêng (ge) Trên hình 5.8 thể hiện lượng tiêu hao nhiên liệu theo giờ và suất tiêu hao nhiên liêu riêng khi thực hiện phép đo tiêu hao nhiên liệu tại vị trí tải 100%. Các kết quả cho thấy suất tiêu hao nhiên liệu riêng đạt giá trị nhỏ nhất gemin = 223g/ kW.giờ tại tốc độ động cơ = 2.500 v/phút (lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ đạt giá trị đạt giá trị Gnl =15,7 kg nhiên liệu/giờ). Các khác biệt về tiêu hao nhiên liệu khi thực hiện đối sánh không thể hiện rõ trên đồ thị khi tiến hành thực nghiệm. 20
24. Tổng năng lượng cung cấp cho một lần làm việc 푊Σ = ⁡ 푊푛 + 푊퐿 (5.2) Wn: Năng lượng tiêu hao do tỏa nhiệt trên bobin được tính [1, 32] 푡đ 2 푊푛 = ∫0 푖1 . 푅1. 푡 (5.3) WL: Năng lượng dự trữ cho đánh lửa điện cảm được tính theo biểu thức sau: 퐿 .𝑖2 푊 = ⁡ 1 đ (5.6) 퐿 2 Tổng năng lượng tiêu hao cho một bobin trên hệ thống đánh lửa điện cảm trong một giờ tương ứng với tốc độ động cơ cho ở bảng 5.2 được tính như sau: 푛푒 푊 = ⁡ 푊 . 60⁡. (J) (5.7) 훴1ℎ⁡ 훴 2 ne: Tốc độ động cơ (vòng/phút) Khi không thực hiện đánh lửa điện cảm, ta sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng WΣ1h⁡( trong một giờ). Các nghiên cứu cho thấy:Hiệu suất động cơ: ηe = 0,2 - 0,35 [27,28], Hiệu suất bộ truyền đai thang: ηd = 0,95 - 0,96 [48], Hiệu suất máy phát: ηp = 0,4 - 0,65 [3], Hiệu suất ắc-quy: ηa = 0,75 - 0,9 [49], Hiệu suất tổng cộng: η∑ = ηe.ηd.ηp.ηa = 0,057 - 0,1966. Đặt 휂훴 𝑖푛 = 0,057 và 휂훴 = 0,1966 Năng lượng tiết kiệm (We) được khi tính đến sự tổn hao qua đường truyền năng lượng cho ở bảng 5.3, được tính theo biểu thức (5.8). 푊Σ1ℎ 푊푒 = (J) (5.8) 휂Σ 푊Σ1ℎ Như vậy: Năng lượng tiết kiệm lớn nhất: 푊푒 = 휂Σmin 푊Σ1ℎ Năng lượng tiết kiệm nhỏ nhất: 푊푒 𝑖푛 = 휂Σmax Đối với nhiên liệu xăng ta có QH = 44 MJ/kg [27]. Lượng nhiên liệu qui đổi tiết kiệm được trong 1 giờ, từ việc tiết kiệm năng lượng đánh lửa được cho ở bảng 5.3 được tính theo biểu thức sau: 푊푒.1000 ⁡⁡ 푛푙푡 = (g) (5.9) 푄 Trong đó: Gnltk: Lượng nhiên liệu tiết kiệm (g), QH: Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (J/kg) We: Năng lượng tiết kiệm (J) Bảng 5.4: Lượng nhiên liệu qui đổi tiết kiệm được trong một giờ khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm 21
25. T/ độ động cơ Wemax (J)/ Gnltkmax Gnltkmin Wemin (J)/ giờ (vòng/phút) giờ (g/giờ) (g/giờ) 1.000 287.150 83.253 6,53 1,89 2.000 530.500 153.810 12,1 3,5 3.000 708.690 205.470 16,11 4,7 4.000 829.830 240.590 18,86 5,47 5.000 965.730 279.990 21,95 6,36 6.000 1.073.600 311.250 24,4 7,07 5.3.3 Đánh giá chất lượng khí thải Bảng 5.6: Số liệu khí thải động cơ khi thực hiện đối sánh - sử dụng HTĐL nguyên thủy và khi sử dụng HTĐL hỗn hợp điện dung - điện cảm Động cơ khi sử dụng Động cơ khi sử dụng Thành phần gây ô nhiễm HTĐL nguyên thủy HTĐL hỗn hợp Giá trị trung bình CO 2,29 2,63 (% thể tích) Giá trị trung bình HC 69,33 77 (ppm thể tích) 5.4 Kết luận chương 5 - Hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm có khả năng làm việc hiệu quả và tin cậy tại các chế độ làm việc khác nhau của động cơ - Hệ thống có khả năng tiết kiệm năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa nói riêng và cho động cơ nói chung. Cụ thể như sau: Về tính hiệu quả: Momen có ích (Me) và công suất có ích (Ne) Khi so sánh khác biệt về moment có ích Me và công suất có ích Ne trên cùng một động cơ TOYOTA 1NZ-FE (khi dùng HTĐL trực tiếp theo nhà chế tạo và khi dùng HTĐL hỗn hợp điện dung - điện cảm), ta nhận thấy sự khác biệt này là không đáng kể (sai lệch lớn nhất < 5%). Điều này cho thấy, hệ thống đánh lửa hỗn hợp làm việc tin cậy tại các chế độ làm việc khác nhau của độngĐ cơ. ộng cơ sử dụng để thực nghiệm đãqua sử dụng nên các giá trị cực đại của công suất có ích và moment có ích tại chế độ tải 100% đều nhỏ hơn giá trị của nhà chế tạo công bố khoảng 20%. Khả năng phát thải Qua các thông số về CO (% thể tích),và HC (ppm thể tích) Ở chế độ làm việc không tải, thực hiện theo qui trình đánh giá của cục đăng kiểm Việt Nam, sai lệch về lượng phát thải CO (% thể tích và HC (ppm % thể tích) 22
26. <5%, các số liệu này phù hợp với mức 3 tiêu chuẩn khí thải Việt Nam - theo TCVN 6438-2018. Năng lượng tiết kiệm được khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm Hệ thống đánhlửa hỗn hợp điện dung- điện cảm khi áp dụng trên động cơ 4 xy-lanh có khả năng sử dụng năng lượng tự cảm từ ba bobin đánh lửa điện cảm để thực hiện quá trình đánh lửa cho xi-lanh còn lại, mà không cần chi phí thêm năng lượng cho quá trình đánh lửa thứ 4. Như vậy, có thể tiết kiệm được 25 % năng lượng cung cấp cho hệ thống đánh lửa khi động cơ làm việc KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Luận án được hoàn thành và rút ra được các kết luận sau: 1. Luận án đã nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm trên động cơ bốn xylanh (TOYOTA 1NZ-FE) có khả năng tích lũy sức điện động tự cảm (từ giai đoạn đánh lửa điện cảm) trên 3 tụ điện 1 µF và phục vụ cho giai đoạn đánh lửa điện dung. Với kết cấu đơn giản và tận dụng được các đặc điểm sẵn có từ hệ thống điều khiển động cơ. Hệ thống đánhhỗn lửa hợp như đã trình bày, bảo đảm hoạt động ổn định của động cơ ở các chế độ hoạt động khác nhau và tiết kiệm được năng lượng cho một lần đánh lửa / một chu kỳ làm việc của động cơ - tương ứng với 25% năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa. 2. Luận án đã đề ra được giải pháp thu hồi một phần năng lượng tự cảm trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa. Qua đó, góp phần giảm năng lượng sử dụng cho hệ thống đánh lửa nói riêng và cho động cơ nói chung; Đồng thời tham gia vào giảm lượng phát thải ra môi trường 3. Luận án đã xây dựng được mô hình toán học và xác định được các thông số của hệ thống các giai đoạn đánh lửa điện cảm, giai đoạn đánh lửa điện dung và các khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính hệ thống (tổng trở của mạch sơ cấpR, hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp bobin L1, dung lượng tụ điện C1). 4 Luận án đã đưa ra được cơ sở lựa chọn cấu hình hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm và phương pháp xác định dung lượng tụ điện đóng vai trò tích lũy năng lượng tự cảm. Qua đó, thỏa mãn năng lượng đánh lửa yêu cầu cho cả hai giai đoạn (đánh lửa điện cảm và đánh lửa điện dung), mà vẫnđạt yêu cầu tiết kiệm năng lượng trên hệ thống. 23
27. 5. Các kết quả thực nghiệm trên động cơ 4 xy-lanh TOYOTA 1NZ-FE khi sử dụng hệ thống đánh lửa điện cảm theo thiết kế của nhà chế tạo và khi khi sử dụng hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung - điện cảm cho thấy: • Các khác biệt vềcông suất có íchNe= f(n), moment có ích Me = f(n) không lớn (< 5%). • Các sai lệch về chất lượng khí thải ứng với chế độ làm việc không tải theo hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy và hệ thống đánh lửa hỗn hợp lần lượt là: - CO (% thể tích): 2,29 và 2,63. HC (ppm thể tích): 69,33 và 77. Các số liệu khí thải này phù hợp với các qui định về khí thải Việt Nam ở mức 3 theo TCVN 6438-2018 • Hệ thống đánh lửa được chế tạo đạt yêu cầu tiết kiệm năng lượng:Mặc dù khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống đánh lửa hỗn hợp không lớn, [lượng nhiện liệu qui đổi tiết kiệm được lớn nhất Gnltkmax (g/giờ) = 24,4 g nhiên liệu/giờ (khi động cơ hoạt động 6000 vòng/ phút - Bảng 5.4]. Hướng phát triển Trên cơ sở các nghiên cứu đã đề cập trong luận án, người nghiên cứu xin được phép trình bày các hướng phát triển sau: 1 Nghiên cứu sử dụng năng lượng tích lũy từ sức điện động tự cảm của các cuộn dây để sử dụng cho mục đích khác. 2 Nghiên cứu hệ thống đánh lửa hỗn hợp trên động cơ 1 xy-lanh theo hướng sử dụng nhiều tụ điện được nạp lần lượt và sử dụng năng lượng trên các tụ trong một lần đánh lửa điện dung. 3 Đánh giá ảnh hưởng của điều kiện khí hậu Việt Nam (nóng, ẩm), đến hoạt động của hệ thống đánh lửa nói chung và hệ thống đánh lửa hỗn hợp điện dung- điện cảm nói nói riêng. 4 Nghiên cứu kéo dài thời gian xuất hiện tia lửa điện dung 24