(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid(Luận văn thạc sĩ) Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid
TỔNG QUAN
LÝ DO CHỌN ĐỂ TÀI
Hệ thống đánh lửa chuyển đổi điện áp thấp từ ắc-quy ô tô (12V hoặc 24V) thành các xung điện cao trên 15 kV đến 40 kV, được phân phối đến bu-gi theo thứ tự hoạt động của động cơ Đến đúng thời điểm, hệ thống đánh lửa tạo ra xung điện để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí trong buồng đốt, giúp giải phóng năng lượng hoá học của nhiên liệu thành cơ năng, từ đó vận hành động cơ một cách hiệu quả.
Hệ thống đánh lửa điện cảm kiểu đánh lửa trực tiếp (mỗi xy-lanh sử dụng một bô-bin đánh lửa) hiện nay được sử dụng phổ biến trên hầu hết các ô tô Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên việc dòng điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa bị ngắt đột ngột trước thời điểm đánh lửa, tạo ra điện áp cao ở mạch thứ cấp và sinh tia lửa bu-gi Khi dòng sơ cấp bị ngắt, sự biến thiên từ thông trên lõi từ của biến áp đánh lửa xảy ra đồng thời trên cả hai cuộn sơ cấp và thứ cấp, góp phần tạo ra tia lửa cần thiết để đốt cháy nhiên liệu trong động cơ.
Trong cuộn dây sơ cấp, sự biến thiên từ thông khi ngắt dòng sơ cấp gây ra hiện tượng tự cảm, dẫn đến việc tạo ra sức điện động tự cảm (𝐸 𝑡𝑐) Hiện tượng này được mô tả bằng công thức tính 𝐸 𝑡𝑐 dựa trên quy luật cảm ứng của dòng điện trong mạch, phản ánh nguyên lý tự cảm trong lý thuyết của máy biến áp và các mạch điện cảm ứng.
Trong đó: L: Độ tự cảm cuộn dây sơ cấp (H) d𝑖 d𝑡: độ biến thiên dòng sơ cấp
Hệ thống đánh lửa của ô tô tạo ra các xung nhiễu lan truyền qua hệ thống điện do sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp của biến áp đánh lửa, có mức điện áp khoảng 100 – 300 V Tụ điện được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của các xung nhiễu này lên hệ thống điện ô tô Tuy nhiên, hiện tại, việc lắp đặt tụ chưa tận dụng được năng lượng do sức điện động tự cảm sinh ra trong quá trình hoạt động của hệ thống đánh lửa.
Khi ngắt dòng sơ cấp trên cuộn thứ cấp, sự biến thiên từ thông gây ra sức điện động cảm ứng, tạo ra hiệu điện thế cao nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ.
Hệ thống đánh lửa điện cảm khi ngắt dòng sơ cấp tạo ra điện áp tự cảm từ 100 đến 300 V, trong khi hệ thống đánh lửa điện dung yêu cầu điện áp nạp từ 90 đến 400 V Hiện nay, hệ thống đánh lửa điện dung thường sử dụng bộ biến đổi điện để nâng điện áp ắc-quy lên mức phù hợp để nạp tụ, điều này dẫn đến tiêu thụ thêm năng lượng của ắc-quy.
Hệ thống đánh lửa hybrid (điện cảm – điện dung) tận dụng năng lượng thừa từ cuộn dây sơ cấp của hệ thống đánh lửa để cung cấp nguồn nạp tụ tích với điện áp từ 90 đến 400 V, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả mà không cần tiêu tốn điện năng cho bộ biến đổi điện áp Việc sử dụng tụ điện trong hệ thống này còn giúp hấp thu sức điện động tự cảm, giảm nhiễu gây ra trên các thiết bị điện ô tô và bảo vệ hệ thống đóng ngắt Đặc biệt, hệ thống đánh lửa hybrid giảm tiêu thụ năng lượng, đặc biệt trên các động cơ nhiều xy-lanh, với khả năng tiết kiệm lên đến 25% năng lượng tiêu thụ so với hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy Đây là giải pháp tối ưu giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống đánh lửa ô tô, đồng thời giảm số lượng linh kiện cần thiết nhờ loại bỏ bộ biến đổi điện áp.
Dù việc giảm năng lượng tiêu thụ cho hệ thống đánh lửa trên một động cơ chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ trong tổng lượng điện năng tiêu thụ của ô tô, nhưng nếu tính trên hàng trăm triệu xe trên toàn thế giới, tiết kiệm năng lượng nhỏ này vẫn mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu đáng kể.
Đề tài “Thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid” nhằm mục đích thiết kế và chế tạo hệ thống đánh lửa Hybrid để thực hiện các thử nghiệm đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống này Nghiên cứu cũng tập trung vào việc so sánh khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống đánh lửa Hybrid với hệ thống đánh lửa điện cảm nguyên thủy trên xe ô tô Các bài thử nghiệm đánh giá hiệu suất, mức tiêu hao nhiên liệu và chất lượng khí thải của động cơ được thực hiện theo quy trình tiêu chuẩn để đưa ra các kết luận chính xác và khách quan.
CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.2.1 CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC
Nhiều công trình nghiên cứu đã tập trung vào hệ thống đánh lửa trên ô tô, đặc biệt là đề tài "Thiết bị đánh lửa cho động cơ đốt trong" Các nghiên cứu này nhằm cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống đánh lửa, nâng cao độ tin cậy và tiết kiệm nhiên liệu cho động cơ ô tô Việc phát triển các thiết bị đánh lửa tiên tiến góp phần tối ưu hóa quá trình đốt trong động cơ đốt trong, mang lại hiệu quả vận hành bền bỉ và thân thiện với môi trường.
Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị đánh lửa cho động cơ đốt trong
Hệ thống đánh lửa điện cảm sử dụng năng lượng tích trữ trong cuộn dây sơ cấp P1, P2 để tạo tia lửa trong động cơ thế hệ đầu tiên Trước thời điểm đánh lửa, vít lửa I điều khiển dòng sơ cấp tăng lên, sau đó vít chớm mở ngắt dòng đột ngột, gây biến thiên lớn điện động trên cuộn dây sơ cấp Sự cảm ứng này sinh ra điện áp rất lớn ở cuộn dây thứ cấp S1, S2, truyền đến bugi để tạo tia lửa đốt cháy nhiên liệu.
4 điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu Hệ thống này có cấu trúc đơn giản, thời gian phóng điện dài và phụ thuộc vào lượng năng lượng tích lũy
Tesla [3] đăng ký bằng sáng chế “hệ thống lửa điện dung” tại Mỹ số
Hệ thống điện dung CDI (Capacitor Discharged Ignition) có nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng tụ điện để lưu trữ và phóng điện nhằm tạo tia lửa cho hệ thống đánh lửa Hình 1.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống CDI, giúp người đọc hiểu rõ cấu tạo và hoạt động của nó Công nghệ này lần đầu tiên được ứng dụng trên xe Ford Model K vào năm 1898, đánh dấu bước đột phá trong lĩnh vực hệ thống đánh lửa của ô tô.
Hình 1.2: Sơ đồ thiết bị đánh lửa cho động cơ xăng
Hệ thống đánh lửa tích trữ năng lượng tại tụ điện G trước thời điểm đánh lửa, khi cực “a-b” nối kín mạch D, tụ G đột ngột xả điện qua cuộn sơ cấp F Sự biến thiên cảm ứng của sức điện động tạo ra tia lửa tại bu-gi nhờ vào cảm ứng từ cuộn thứ cấp K, năng lượng tích trữ được cung cấp từ ắc-quy E qua bộ tăng áp H Hệ thống này có thời gian tích lũy năng lượng ngắn, hiệu điện thế thứ cấp tăng nhanh nhưng duy trì tia lửa trong khoảng thời gian ngắn.
Gerry [4] [5] đã được cấp bằng sáng chế số 4,291,661 tại Mỹ về “Hệ thống đánh lửa nạp xả điện dung điện cảm điều biên” và bằng sáng chế số
4,293,798 về “Hệ thống đánh lửa nạp xả với chu kỳ điện dung điện cảm”
Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống đánh lửa nạp xả điện dung điện cảm điều biên
Nguồn điện xoay chiều được tạo ra từ bộ dao động cung cấp năng lượng cho tụ điện liên tục nạp trong mỗi chu kỳ đánh lửa Tụ điện xả điện qua cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa, tạo ra các xung điện áp cao ở cuộn thứ cấp Những xung điện này được gửi đến bộ chia điện để phân phối tia lửa điện đúng thời điểm đánh lửa của động cơ Việc nạp nạp liên tục của tụ điện giúp tạo ra nhiều xung điện áp cao trong một chu kỳ đánh lửa, đảm bảo quá trình đánh lửa hiệu quả.
Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống đánh lửa điện cảm - điện dung
Gerry đã thiết kế mạch nguồn 200 cung cấp năng lượng liên tục cho tụ điện 311 nhờ tín hiệu điều khiển từ bộ tạo xung 180, theo kiểu đấu tụ như sơ đồ trong hình 1.4 Trong mỗi chu kỳ đánh lửa, tụ điện được nạp và xả liên tục trên cuộn sơ cấp của biến áp đánh lửa, tạo ra điện áp cao tại điện cực bugi để phát tia lửa.
Michael và Matthew [6] đã nghiên cứu hệ thống đánh lửa Hybrid cho động cơ đốt trong, bao gồm các thành phần chính như ECU (Electronic Control Unit), biến áp đánh lửa, mạch push-pull, mạch nạp xả tụ và bu-gi Hệ thống này tối ưu hóa quá trình đánh lửa, nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ Nghiên cứu góp phần cải tiến công nghệ hệ thống đánh lửa, đảm bảo độ bền và hiệu quả vận hành của các loại động cơ đốt trong hiện đại.
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý đánh lửa Hybrid trên động cơ đốt trong
Biến áp đánh lửa này được thiết kế với ba cuộn dây sơ cấp có dung lượng lần lượt là 54, 58 và 62, cùng một cuộn dây thứ cấp 66, giúp tối ưu hóa quá trình tạo tia lửa trên bu-gi Hệ thống dễ dàng điều chỉnh thời gian xuất hiện tia lửa nhờ vào ECU, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ.
Sebok cùng các cộng sự đã nghiên cứu “Hệ thống đánh lửa không có bộ chia điện” và phân tích dạng sóng về thời gian tích trữ năng lượng của hệ thống Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về hoạt động của hệ thống đánh lửa không bộ chia điện, góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của các hệ thống đánh lửa trong động cơ.
7 lượng, dòng điện sơ cấp, xung điện thế trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp khi quá trình đánh lửa điện cảm diễn ra
Hình 1.6: Sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của bô-bin đánh lửa điện cảm
Hình 1.6 minh họa đồ thị sức điện động tự cảm của bộ bin điện cảm, cho thấy rằng sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp đạt khoảng 400V sau quá trình tích trữ năng lượng trong giai đoạn “Charging coil” Đồng thời, trên cuộn thứ cấp xuất hiện sức điện động cảm ứng mạnh từ 5 đến 15 kV Thời điểm xuất hiện và duy trì tia lửa trên hình là khoảng thời gian “Switch off coil”, phản ánh quá trình chuyển đổi trong hệ thống điện cảm.
Hình 1.7: Mối tương quan giữa xung điều khiển, xung dòng sơ cấp, xung điện áp thứ cấp của bốn xi-lanh theo thứ tự đánh lửa
Hình 1.7 trình bày biểu đồ thể hiện mối quan hệ thời gian pha giữa các xung điều khiển, xung dòng sơ cấp, xung điện áp sơ cấp và xung điện áp thứ cấp của bốn bô-bin theo thứ tự đánh lửa Biểu đồ này giúp hiểu rõ hơn về quá trình phối hợp giữa các bước trong hệ thống đánh lửa Thông qua phân tích các mối liên hệ này, kỹ thuật viên có thể tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống động cơ đốt trong Việc nắm bắt chính xác các thời điểm pha này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ bền của máy móc.
Hongjiu cùng các cộng sự đã nghiên cứu tạo dòng plasma bằng nguồn AC trên hệ thống đánh lửa động cơ xăng, nhằm cải thiện hiệu suất đốt cháy hỗn hợp nghèo mà hệ thống đánh lửa truyền thống chưa đáp ứng được Kết quả cho thấy, hệ thống đánh lửa mới giúp nâng cao công suất động cơ một cách rõ rệt Trong sơ đồ mạch điện của thiết bị thử nghiệm (Hình 1.8), có lắp đặt cả hai hệ thống đánh lửa truyền thống và đánh lửa nguồn AC để so sánh hiệu quả.
Xung điều khiển dòng sơ cấp
Xung điện thế thứ cấp Xung điện thế sơ cấp
Hình 1.8: Sơ đồ mạch điện của thiết bị thử nghiệm
Kết quả khảo sát vùng phân bố tia lửa trên điện cực bu-gi cho thấy hệ thống đánh lửa nguồn AC tạo ra vùng hồ quang rộng gấp 9 lần so với hệ thống đánh lửa truyền thống Điều này thể hiện rõ qua hình 1.9, minh chứng cho ưu điểm của công nghệ đánh lửa nguồn AC trong việc mở rộng vùng tia lửa Việc tăng diện tích vùng tia lửa giúp cải thiện hiệu quả đốt cháy nhiên liệu và nâng cao hiệu suất động cơ Các dữ liệu này hỗ trợ lựa chọn công nghệ đánh lửa phù hợp để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống động lực.
Hình 1.9: So sánh vùng tia lửa của hai hệ thống đánh lửa tại 800 vòng/phút
Với các yêu cầu ngày càng khắt khe về tiêu chuẩn khí xả của động cơ, nghiên cứu về đánh lửa bằng laser đang đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất nhiệt và giảm khí thải Công nghệ đánh lửa laser không chỉ giúp cải thiện khả năng đốt cháy nhiên liệu chính xác hơn mà còn góp phần tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ, đáp ứng các tiêu chuẩn khí xả ngày càng nghiêm ngặt Nhờ đó, các nhà nghiên cứu hướng tới ứng dụng công nghệ laser trong động cơ nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.
10 ngày càng được quan tâm Đánh lửa Laser có thể đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu nghèo, ở áp suất cao trong buồng đốt động cơ đốt trong
Dhananjay cùng Avinash [9] đã nghiên cứu “Đánh lửa Laser trên động cơ một xi-lanh và ảnh hưởng của vị trí đánh lửa”, so sánh hiệu quả của hệ thống đánh lửa CDI và laser trong quá trình đốt cháy hỗn hợp khí CNG Kết quả cho thấy, tại tốc độ động cơ 1500 vòng/phút và bướm ga mở hoàn toàn, hệ thống đánh lửa Laser đốt cháy hỗn hợp nhanh hơn 0.5 – 3 góc quay trục khuỷu, đồng thời tạo ra áp suất cực đại cao hơn so với hệ thống CDI.
Hình 1.10: So sánh áp suất trong buồng đốt khi sử dụng hai hệ thống đánh lửa tại tốc độ động cơ 1500 vòng/phút, λ = 1.2
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Thiết kế - chế tạo mạch đánh lửa Hybrid có khả năng thu năng lượng tự cảm
- Thử nghiệm sự hoạt động của hệ thống đánh lửa Hybrid trên động cơ thực
Vận hành động cơ trang bị hệ thống đánh lửa Hybrid nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu Thực nghiệm đánh giá hoạt động của động cơ lắp hệ thống đánh lửa Hybrid trên băng thử công suất giúp phân tích các thông số kỹ thuật chính của động cơ đốt trong Quá trình này nhằm xác định hiệu suất hoạt động, độ bền và tính ổn định của hệ thống đánh lửa Hybrid trong điều kiện vận hành thực tế Những kết quả từ thử nghiệm này cung cấp cơ sở để nâng cao hiệu quả vận hành của động cơ và cải thiện công nghệ hệ thống đánh lửa Hybrid trong ngành công nghiệp ô tô.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết là bước quan trọng để cập nhật kiến thức và làm cơ sở cho các thực hiện tiếp theo Việc tham khảo các tài liệu đã công bố từ các nguồn đáng tin cậy như sách, tạp chí, và internet giúp mở rộng kiến thức và đảm bảo tính chính xác của nội dung Ngoài ra, việc tham khảo các đề tài liên quan đã được công bố giúp định hướng nghiên cứu hiệu quả và tránh trùng lặp nội dung.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Hệ thống đánh lửa trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng.
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Hệ thống đánh lửa Hybrid lắp đặt trên động cơ xăng 4 xy-lanh đánh lửa trực tiếp.
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Bảng 1.2: Kế hoạch thực hiện đề tài
1 Tìm kiếm và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài
2 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết Tháng 4 -
Chọn lựa các phương án của mô hình đánh lửa Hybrid
Thử nghiệm hoạt động của mô hình trên băng thử đánh lửa
Thử nghiệm mô hình hệ thống đánh lửa Hybrid trên mô hình động cơ khi hoạt động không tải
Kiểm tra khả năng đáp ứng tốc độ tối đa của động cơ
Thực nghiệm đánh giá các thông số năng lượng đánh lửa, công suất động cơ; tiêu hao nhiên liệu và khí phát thải
6 Viết báo cáo và hoàn thành luận văn Tháng 1 -
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN CẢM
Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện cảm được mô tả trên hình 2.1
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện cảm (TI)
Hệ thống bao gồm: nguồn ắc-quy, biến áp đánh lửa, Transitor, ECU, các cảm biến, dây cao áp, bu-gi Sự hoạt động gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Còn gọi là giai đoạn tích trữ năng lượng Khi ECU (Eclectronic
Động cơ nhận tín hiệu từ cảm biến đánh lửa gồm trục khuỷu và trục cam, sau đó điều khiển Transistor hoạt động để tăng dòng trên mạch sơ cấp Sự tăng dòng này tạo từ hóa lõi sắt trong bugi, sinh ra năng lượng từ trường mạnh mẽ Năng lượng từ trường tích tụ trong lõi sắt đạt đỉnh khi thời điểm đánh lửa đến gần, giúp hệ thống hoạt động chính xác và hiệu quả hơn.
Tốc độ tăng trưởng dòng điện trên cuộn sơ cấp phụ thuộc vào tham số riêng của mạch cuộn dây sơ cấp được tính theo biểu thức [1]:
Trong đó: I1(t): dòng điện trên mạch sơ cấp (A)
R𝚺: tổng trở trên mạch sơ cấp ()
L1: Độ tự cảm cuộn dây sơ cấp (H) t: Thời gian tích lũy năng lượng (s)
Năng lượng dự trữ đánh lửa điện cảm được tính bởi biểu thức:
Trong đó: Wdt: Năng lượng dự trữ đánh lửa (J)
Ing: Dòng điện ngắt trên cuộn sơ cấp (A) Ing = I1(tng)
Giai đoạn 2, còn gọi là giai đoạn ngắt dòng sơ cấp, xảy ra khi transistor dẫn rồi đột ngột ngắt dòng sơ cấp tại thời điểm t = tng Trong quá trình này, từ trường biến thiên trên cuộn sơ cấp tạo ra hai hiệu ứng đồng thời: trên cuộn sơ cấp xuất hiện sức điện động tự cảm, còn trên cuộn thứ cấp cảm ứng sức điện động dẫn đến điện áp cao truyền qua các vòng dây tới khe hở bugi Khi điện áp này vượt qua ngưỡng cách điện của khe hở, hiện tượng phóng điện xảy ra tại điện cực bugi, đánh dấu bước quan trọng trong quá trình hoạt động của hệ thống.
Sức điện động tự cảm được tính bởi biểu thức:
Trong đó: I1 = Ing Dòng điện sơ cấp tại thời điểm ngắt
Giai đoạn 3, còn gọi là giai đoạn đánh lửa, bắt đầu khi ngắt dòng sơ cấp điện áp trên cực bu-gi tăng vọt đến mức vượt qua ngưỡng cách điện của khe hở bu-gi Khi điện áp đạt đến mức cao nhất, sẽ xuất hiện tia lửa trong khe hở, đánh dấu sự bắt đầu quá trình đốt cháy nhiên liệu của động cơ Điện áp lớn nhất khi tia lửa xuất hiện được gọi là điện áp đánh lửa (Uđl), là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống đánh lửa.
Trên hình 2.2 là biểu đồ mô tả sự tương quan theo thời gian của dòng sơ cấp và hiệu điện thế thứ cấp
Hình 2.2: Qui luật biến đổi dòng sơ cấp i1 và hiệu điện thế thứ cấp u2m [1]
HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ĐIỆN DUNG
Hệ thống đánh lửa điện dung bao gồm các thiết bị chính: nguồn một chiều trung áp (dạng xung), tụ tích, bô-bin, thiết bị đảo mạch, bu-gi
Hình 2.3: Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống đánh lửa điện dung
Hệ thống điện dung trên thực tế được thiết kế có hai kiểu nguồn cung cấp gồm:
Kiểu DC-CDI sử dụng nguồn cung cấp nạp tụ tích được tạo ra từ nguồn ắc-quy qua bộ biến đổi DC-AC, nâng điện áp từ 90 đến 400 VAC, sau đó nắn điện thành một chiều qua diode chỉnh lưu để nạp tụ tích Đây là kiểu hệ thống biến đổi nguồn phổ biến trong các ứng dụng cần cung cấp nguồn ổn định và hiệu quả cao Các loại bộ biến đổi DC-DC trong kiểu này đa dạng, phù hợp với nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau trong các hệ thống điện tử và tự động hóa mới nhất.
Các loại biến tần khác nhau được phân biệt dựa vào kết cấu mạch điện tử, tạo ra dạng xung điện xoay chiều phổ biến như mạch Blocking và mạch Push-Pull Mạch Blocking thường sử dụng để tạo ra xung điện theo kiểu đơn giản, trong khi mạch Push-Pull có khả năng tự dao động hoặc sử dụng nguồn dao động để nâng cao hiệu quả chuyển đổi điện năng Các loại mạch này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra dạng xung phù hợp với yêu cầu của từng ứng dụng, góp phần tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện.
Các phương pháp điều khiển động cơ điện sử dụng biến thế cao tần hoặc mạch nhân điện áp giúp tăng hiệu suất và độ ổn định trong vận hành Nguồn cấp cho hệ thống này có đặc điểm là điện áp nạp tụ tích ổn định, đảm bảo hoạt động liên tục và liên tục của động cơ Ngoài ra, nguồn này còn phụ thuộc vào điện áp ắc-quy, giúp duy trì ổn định trong quá trình sử dụng.
Hình 2.4: Sơ đồ mạch đánh lửa DC-CDI
Kiểu AC-CDI sử dụng nguồn cung cấp tạo ra từ máy phát điện trên trục động cơ, sinh ra điện thế từ 90 – 400 VAC dưới dạng xung gai hoặc dạng Sin, sau đó được nắn thành dòng điện một chiều để nạp tụ Đặc điểm nổi bật của loại này là điện áp nạp tụ nhỏ khi khởi động và điện áp rất lớn ở tốc độ cao, dẫn đến nguy cơ phá hủy tụ tích do vượt quá ngưỡng chịu đựng của linh kiện trong quá trình hoạt động lâu dài AC-CDI thường được sử dụng trong các động cơ nhỏ và xe gắn máy ngày nay, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và kích thước nhỏ gọn.
Hình 2.5: Sơ đồ mạch đánh lửa AC-CDI
Hệ thống đánh lửa điện dung, năng lượng đánh lửa được tích trữ trên tụ điện, có hai kiểu lắp đặt tụ điện trên mạch đánh lửa
Hình 2.6a và 2.6b trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa điện dung kiểu một Trong hình 2.6a, đảo mạch SW1 ở vị trí tụ tích C1 được nạp đến điện áp, giúp đảm bảo quá trình tạo nên tia lửa điện chính xác và hiệu quả cho hệ thống đánh lửa.
27 nguồn, là giai đoạn tích trữ năng lượng được thực hiện ở thời điểm không đánh lửa Năng lượng tích trữ (Wdt) được tính bằng biểu thức:
Trong đó: C1: dung lượng tụ tích (F)
UC1: điện áp trên tụ C1 (V)
Vào thời điểm đánh lửa, SW1 ở vị trí như hình 2.6b, tụ C1 xả điện qua cuộn sơ cấp của bộ biến áp, gây hiện tượng tăng đột biến điện áp trên tụ tích C1.Điện áp này tức thì đặt trên hai đầu của cuộn sơ cấp, tạo ra cảm ứng lớn nhất trên cuộn thứ cấp theo công thức tính điện áp ứng với sự thay đổi nhanh của dòng điện, giúp đảm bảo quá trình đánh lửa diễn ra hiệu quả minh bạch hơn trong mạch.
Hình 2.6a: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện dung kiểu một – quá trình nạp tụ
Hình 2.6b: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện dung kiểu một – quá trình xả tụ
Hệ thống đánh lửa điện dung kiểu hai Thời điểm không đánh lửa chuyển mạch
SW2 ở vị trí như hình 2.7a, tụ C2 được nạp điện qua cuộn sơ cấp của bô-bin để tích trữ năng lượng đánh lửa
Năng lượng dự trữ đánh lửa chứa trên tụ được tính bởi công thức [1]:
Trong đó: C2: điện dung của tụ điện (F)
UC2: điện áp tụ điện C2 (V)
Thời điểm đánh lửa chuyển mạch SW2 được nối như hình 2.7b, giúp tụ C2 xả điện từ bản cực dương qua cuộn sơ cấp đến bản cực âm của tụ Quá trình này tạo ra điện áp tích tụ trong tụ C2, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống Việc nắm rõ cách kết nối và hoạt động của switch SW2 cùng tụ C2 là yếu tố quan trọng để duy trì sự ổn định và bảo vệ các thiết bị điện trong hệ thống.
C2 đột ngột đặt lên hai đầu cuộn sơ cấp của bô-bin do đó tạo ra điện áp lớn nhất trên cuộn thứ cấp tính bởi công thức:
Hình 2.7a: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện dung kiểu hai – quá trình nạp tụ
Hình 2.7b: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa điện dung kiểu hai – quá trình xả tụ
Hình 2.8 trình bày biểu đồ thể hiện sự biến thiên của điện thế trên tụ và dòng điện qua cuộn sơ cấp của bộ bô-bin khi quá trình chuyển mạch diễn ra vào thời điểm đánh lửa theo thời gian Bảng số liệu này giúp phân tích rõ hơn về quá trình khởi động của hệ thống và các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của bô-bin trong quá trình đánh lửa Biểu đồ thể hiện rõ sự thay đổi của điện áp và dòng điện trong suốt quá trình làm việc, từ đó cung cấp dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Hình 2.8: Biểu đồ biến thiên điện thế trên tụ tích và dòng điện trên cuộn sơ cấp bô-bin [1]
ĐẶC ĐIỂM ĐÁNH LỬA ĐIỆN CẢM – ĐIỆN DUNG
Hệ thống đánh lửa điện cảm tích trữ năng lượng qua dòng điện đi qua cuộn sơ cấp trong quá trình tích lũy, dẫn đến tiêu hao nhiều điện năng và nóng bô-bin do lượng năng lượng dự trữ lớn ở tốc độ thấp Trong khi đó, hệ thống đánh lửa điện dung tích trữ năng lượng trên tụ điện trong thời gian ngắn, giảm tổn thất năng lượng và sinh nhiệt đáng kể Sự đánh lửa trong hệ thống điện dung thực hiện khi tụ xả điện qua cuộn sơ cấp của biến thế đánh lửa, với thời gian xả rất nhỏ, giúp giảm lượng nhiệt phát sinh trong quá trình xả điện.
Hình 2.9 trình bày biểu đồ thể hiện tốc độ tăng trưởng điện áp thứ cấp ở hai loại hệ thống đánh lửa: đánh lửa điện cảm TI và đánh lửa điện dung CDI Trong đó, hệ thống CDI nổi bật với tốc độ tăng trưởng điện thế thứ cấp rất cao, diễn ra trong khoảng thời gian ngắn hơn 10-15 microgiây Điều này cho thấy ưu điểm của hệ thống CDI về khả năng cung cấp điện áp cao với thời gian phản ứng nhanh, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khởi động nhanh và hiệu suất tối ưu.
Hình 2.9: Tốc độ tăng trưởng điện áp thứ cấp trên hệ thống TI và CDI [17]
Hệ thống đánh lửa điện dung nổi bật nhờ tốc độ tăng trưởng điện áp thứ cấp nhanh, thời gian tăng trưởng ngắn và độ nhạy đánh lửa cao, giúp giảm tổn thất năng lượng trên điện trở rò do bụi than bám trên điện cực bu-gi Với khả năng phát tia lửa mạnh ngay cả khi động cơ nguội, hệ thống này dễ khởi động và có độ nhạy cao, tăng tuổi thọ bu-gi lên gấp 4-5 lần so với hệ thống điện cảm nhờ thời gian tồn tại tia lửa nhỏ và hạn chế hao mòn do bay hơi điện cực Thiết kế dung lượng tụ nhỏ phù hợp với tốc độ cao của động cơ giúp duy trì năng lượng đánh lửa ổn định, giảm thiểu tình trạng bỏ lửa ngay cả ở tốc độ tối đa Ngoài ra, điện áp cực đại trên mạch thứ cấp của hệ thống điện dung vượt trội, lớn hơn 30-60kV so với 20-40kV của hệ thống điện cảm, mang lại hệ số dự trữ cao hơn và khả năng đốt cháy hỗn hợp nghèo hơn, kể cả khi điều chỉnh khe hở bu-gi, góp phần nâng cao hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu cho xe.
HIỆN TƯỢNG TỰ CẢM
Một cuộn dây gồm N vòng mang dòng điện I theo chiều xác định, và khi dòng điện qua cuộn dây là không đổi, thì từ thông đi qua cuộn dây sẽ giữ nguyên giá trị Tuy nhiên, khi dòng điện biến thiên theo thời gian, sẽ sinh ra một sức điện động nhằm chống lại sự thay đổi của dòng điện đó Điều này phản ánh nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ trong cuộn dây, giúp giải thích lý do tại sao dòng điện thay đổi gây ra phản ứng từ phía cuộn dây.
Hiện tượng tự cảm xảy ra khi từ trường của cuộn dây chống lại mọi biến thiên của dòng điện qua nó, gây ra sức điện động tự cảm gọi là ℰL Tất cả các cuộn dây có dòng điện thay đổi theo thời gian đều có đặc tính tự cảm này, giúp duy trì sự ổn định của dòng điện trong mạch.
Hình 2.10: Từ thông đi qua cuộn dây
Sức điện động tự cảm được tính theo công thức:
Và có thể tính theo hệ số tự cảm qua công thức:
Từ hai biểu thức ta có thể suy ra:
Hệ số tự cảm L của cuộn dây đóng vai trò là yếu tố gây cản trở sự biến thiên của dòng điện Khi hệ số tự cảm càng lớn, tốc độ biến thiên của dòng điện sẽ càng giảm, ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hoạt động của mạch điện Việc hiểu rõ đặc tính này giúp tối ưu hóa thiết kế các thiết bị điện tử và hệ thống cơ điện, góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải và kiểm soát dòng điện.
LÝ THUYẾT ĐÁNH LỬA HYBRID
Hệ thống đánh lửa Hybrid lần đầu tiên được đề xuất tại Việt Nam bởi PGS.TS Đỗ Văn Dũng từ năm 2012, kết hợp giữa đánh lửa điện cảm và đánh lửa điện dung để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng Năng lượng nạp cho tụ trong hệ thống này lấy từ năng lượng tự cảm trên bô-bin, giúp nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng Các sơ đồ hệ thống đánh lửa lai được trình bày rõ ràng từ hình 2.11 đến 2.16, minh họa các cấu hình và nguyên lý hoạt động của các mô hình này.
Hình 2.11 : Sơ đồ mạch đánh lửa Hybrid
Năng lượng sinh ra khi bobin hoạt động được tích trữ vào tụ C1, chuẩn bị cho lần đánh lửa tiếp theo Trong hệ thống, SCR và diode D1 đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình phóng nạp tụ, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của mạch.
Mạch làm việc theo kiểu đánh lửa điện cảm:
Hình 2.12: Chế độ đánh lửa điện cảm
Khi transistor T1 và T2 dẫn, lúc này có dòng đi qua cuộn sơ cấp
Khi transistor T2 ngắt, dòng điện và từ thông qua cuộn sơ cấp giảm đột ngột, tạo ra sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp Sức điện động này truyền qua diode D1 để nạp tụ điện C1, đảm bảo quá trình đánh lửa điện cảm diễn ra bình thường.
Mạch làm việc theo kiểu đánh lửa điện dung:
Hình 2.13: Chế độ đánh lửa điện dung
Ban đầu transistor T1 và T2 đều ngắt Khi transistor T2 và SCR làm việc:
Dòng điện chảy từ tụ điện C1 qua SCR đến cuộn sơ cấp và qua transistor T2 xuống mass, tạo ra điện áp cao trên cuộn thứ cấp Quá trình đánh lửa điện dung diễn ra hiệu quả nhờ vào việc tính toán, xây dựng mô hình hệ thống, cũng như đề xuất các phương trình mô tả cường độ dòng sơ cấp, sức điện động tự cảm và tần số dao động trên mạch sơ cấp Tác giả Nguyễn Tấn Ngọc đã nghiên cứu kỹ lưỡng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này để nâng cao hiệu suất hệ thống.
Cường độ dòng sơ cấp khi transistor công suất ngắt:
𝑖(𝑡) = 𝑎𝑒 𝑥𝑡 cos(𝑦𝑡) + 𝑧𝑒 𝑥𝑡 sin (𝑦𝑡) (2.17) Sức điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp khi transistor công suất ngắt:
Sơ đồ trên hình 2.14 là mô hình nguyên lý đánh lửa Hybrid sử dụng bốn bô-bin đánh lửa trực tiếp trên động cơ bốn xy-lanh [14]
Hình 2.14 mô tả mô hình nguyên lý đánh lửa Hybrid sử dụng bốn bộ bin, trong đó quá trình đánh lửa diễn ra nhờ điều khiển lần lượt các transistor T1, T2, T3 Khi các transistor này hoạt động tuần tự, quá trình đánh lửa điện cảm sẽ xảy ra tại các bugi tương ứng, với sức điện động tự cảm sinh ra tại cuộn sơ cấp được tích lũy lần lượt vào các tụ C1 Mô hình này giúp tối ưu hóa quá trình đánh lửa, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
C2, C3 và năng lượng này sẽ được giải phóng đồng thời qua bô-bin đánh lửa điện dung khi điều khiển transistor T5 dẫn
Mô hình đánh lửa lai hình 2.15 sử dụng sáu bô-bin, trong đó các transistor T1, T2, T3, T4, T5 lần lượt được điều khiển để tạo quá trình đánh lửa điện cảm tại các bu-gi tương ứng Sức điện động tự cảm sinh ra trên các cuộn sơ cấp của từng bộ phận sẽ được tích lũy lần lượt vào các tụ C1, C2, C3, C4, C5 Năng lượng tích trữ này sẽ cùng lúc giải phóng qua bô- bin đánh lửa điện dung khi transistor T6 dẫn, đảm bảo quá trình đánh lửa diễn ra hiệu quả.
Hình 2.15: Mô hình nguyên lý đánh lửa Hybrid sử dụng sáu bô-bin
Vi điều khiển Arduino được lập trình để điều khiển các bộ phận thực hiện chức năng đánh lửa và xả tụ theo sơ đồ mạch thực nghiệm Bộ điều khiển có hai chế độ hoạt động chính là chế độ bốn bộ bô-bin hoặc sáu bộ bô-bin, phù hợp với yêu cầu thử nghiệm Mô hình thực nghiệm cho phép điều chỉnh các tham số như chế độ hoạt động, thời gian tích năng (thời gian ngậm tĩnh), và tần số hoạt động để tối ưu hiệu suất vận hành.
Trong khảo sát thực nghiệm của tác giả Nguyễn Tấn Ngọc, đã công bố đồ thị thể hiện mối tương quan giữa cường độ dòng sơ cấp tính theo kết quả mô phỏng và cường độ dòng sơ cấp đo được trong thực tế trên hệ thống đánh lửa Hybrid Các kết quả này thể hiện rõ mối liên hệ chặt chẽ giữa mô phỏng và thực tế, giúp xác định chính xác hoạt động của hệ thống Hình 2.16 trình bày biểu đồ minh họa mối tương quan này, góp phần nâng cao độ tin cậy của các phương pháp nghiên cứu trong lĩnh vực truyền động bằng hệ thống đánh lửa hybrid.
Hình 2.16: So sánh cực đại cường độ dòng sơ cấp khi mô phỏng và thực nghiệm ở các thời gian ngậm khác nhau với các thông số: C1 = 2.10 -6 (F), r = 10 6 (Ω), R 1,12 (Ω), L1 = 1,25.10 -3 (H), U = 12,54 (V)
Hình 2.17 trình bày kết quả thực nghiệm khảo sát của tác giả Nguyễn Tấn Ngọc về mối quan hệ giữa sức điện động tự cảm theo tính toán mô phỏng và thực nghiệm, dựa trên thông số thời gian ngậm điện Nghiên cứu này giúp xác định độ chính xác của mô hình mô phỏng so với các thử nghiệm thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả trong việc phân tích và thiết kế các hệ thống liên quan đến sức điện động tự cảm.
Hình 2.17: So sánh cực đại sức điện động tự cảm khi mô phỏng và thực nghiệm ở các thời gian ngậm khác nhau với các thông số: C1 = 2.10 -6 (F), r = 10 6 (Ω), R = 1,12 (Ω), L1 = 1,25.10 -3 (H), U = 12,54 (V)
So sanh gia tri cuong do dong so cap giua mo phong va thuc nghiem mo phong thuc nghiem
So sanh gia tri suc dien dong tu cam giua mo phong va thuc nghiem mo phong thuc nghiem
Qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm tác giả Nguyễn Tấn Ngọc đưa ra phương trình hiệu chỉnh (công thức 2.20 và 2.21):
Sức điện động tự cảm V1:
𝑉 1 (𝑡) = −𝐿 1 [(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 (2.20) Cường độ dòng sơ cấp i1:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐÁNH LỬA
THIẾT KẾ MẠCH ĐÁNH LỬA HYBRID
Đề tài tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống đánh lửa Hybrid trên động cơ 1NZ-FE của Toyota, loại động cơ có kiểu đánh lửa điện cảm trực tiếp điều khiển từ ECU Mục tiêu chính là đánh giá khả năng tích lũy năng lượng của hệ thống đánh lửa Hybrid khi lắp đặt trên động cơ thực tế Phương pháp này giúp phân tích hiệu quả hoạt động của hệ thống Hybrid trong điều kiện vận hành thực tế, góp phần nâng cao hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu cho các xe sử dụng động cơ này.
Hình 3.1 trình bày sơ đồ hệ thống đánh lửa nguyên thủy của động cơ 1NZ-FE sử dụng loại IC bô-bin tích hợp, giới hạn khả năng thu hồi năng lượng tự cảm từ cuộn dây sơ cấp khi điều chỉnh hệ thống đánh lửa Để khắc phục nhược điểm này, tác giả đề xuất giải pháp thay thế nhóm bô-bin nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống đánh lửa và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
IC rời để có thể nối mạch thu năng lượng tự cảm trên cuộn sơ cấp khi ngắt dòng sơ cấp đánh lửa
Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện của hệ thống đánh lửa nguyên thủy
Hình 3.2 trình bày sơ đồ của nhóm bô bin và IC rời (Power Transistor Nissan) được lắp đặt trên động cơ thử nghiệm Hệ thống này cho phép kết nối mạch thu năng lượng tự cảm trên cuộn sơ cấp khi thực hiện quá trình ngắt dòng sơ cấp, đảm bảo hiệu quả hoạt động và kiểm tra chính xác các đặc tính của hệ thống.
Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện nhóm bô-bin và IC rời thay thế
Mô hình hệ thống đánh lửa Hybrid được xây dựng trên sơ đồ nhóm bô-bin IC thay thế (hình 3.2)
Tác giả đề xuất sơ đồ trong hình 3.3 là giải pháp đấu nối hệ thống đánh lửa điện dung hiệu quả, tận dụng khả năng thu năng lượng tự cảm từ ba bô-bin điện cảm để cung cấp năng lượng cho hệ thống đánh lửa điện dung Sơ đồ này được gọi là hệ thống đánh lửa Hybrid, nhằm đảm bảo nguồn năng lượng cho các xy-lanh còn lại một cách tối ưu Phương pháp này giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống đánh lửa, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng và tăng độ bền của các thành phần.
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa Hybrid
Các tín hiệu điều khiển IGT1, IGT2, IGT3, IGT4 lần lượt xuất hiện theo trình tự hoạt động của động cơ, giúp theo dõi quá trình khởi động và vận hành chính xác Bôbin điện cảm (BOBIN 1, BOBIN 2, BOBIN 3) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường cần thiết để vận hành các bộ phận của động cơ một cách hiệu quả Quá trình này đảm bảo các tín hiệu điều khiển và hoạt động của bôbin diễn ra đồng bộ, góp phần tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Khi các bu-gi 1, 2, 3 tạo ra tia lửa trên điện cực, hệ thống bô-bin điện cảm hoạt động và sinh ra sức điện động tự cảm Quá trình này xảy ra khi dòng sơ cấp được ngắt tự nhiên, tạo ra sự truyền năng lượng tới các tụ C1, C2 Hiểu rõ cơ chế hoạt động của hệ thống đánh lửa này giúp nâng cao hiệu suất động cơ và tối ưu hóa quá trình khởi động của xe.
Tín hiệu IGT4 kích hoạt hoạt động của hệ thống SCR thông qua mạch kích (được trình bày tại mục 3.2), nhằm điều khiển chính xác thời điểm phóng điện qua bộ bin điện dung (bô-bin 4) Quá trình này đảm bảo việc điều khiển đánh lửa cho xy-lanh 4, dựa trên năng lượng tích trữ trong các tụ C1 và C2, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống nhiên liệu.
C3 đồng thời phóng điện tức thời đi qua SCR đến cuộn sơ cấp của bô-bin 4, tạo tia lửa trên điện cực bu-gi 4
Bảng 3.1: Thông số linh kiện sử dụng trên mạch đánh lửa Hybrid
Ký hiệu Tên linh kiện
MẠCH KÍCH SCR
Trong thiết kế mạch đánh lửa Hybrid, tác giả sử dụng tín hiệu từ ECU điều khiển động cơ để xác định thời điểm tích lũy năng lượng và phát tia lửa tại bu-gi Thời điểm tín hiệu “OFF” đặc biệt quan trọng, vì chính là thời điểm sinh ra tia lửa tại bu-gi, đảm bảo quá trình đánh lửa chính xác và hiệu quả.
Hình 3.4: Thời điểm sinh ra tia lửa tại bu-gi
Khi sử dụng SCR trong quá trình đánh lửa điện dung, việc điều tốc mạch để kiểm soát thời điểm phóng điện từ tụ tích qua bô-bin điện dung là yếu tố quyết định đến chính xác của tia lửa tại bu-gi Điều này đảm bảo việc tạo tia lửa diễn ra đúng thời điểm nhằm tối ưu hiệu suất đốt cháy nhiên liệu Việc điều chỉnh chính xác mạch điều khiển giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống đánh lửa điện dung, góp phần cải thiện hoạt động của động cơ.
Hình 3.5 trình bày sơ đồ mạch điều khiển SCR cho quá trình đánh lửa điện dung Khi IGT4 được bật “ON”, T1 và T2 dẫn điện, nạp năng lượng cho tụ C0, trong khi T3 ngắt, chưa kích hoạt SCR Quá trình này đảm bảo hệ thống sẵn sàng cho hoạt động đánh lửa điện dung hiệu quả.
“OFF” là thời điểm đánh lửa khi T1, T2 ngắt và T3 dẫn, khiến tụ C0 (1uF/16V) phóng điện tức thời kích hoạt SCR hoạt động Năng lượng tích trữ từ tụ C0 được truyền qua cuộn sơ cấp của bô-bin điện dung, tạo ra tia lửa tại bu-gi.
Hình 3.6: Tín hiệu kích SCR đúng thời điểm đánh lửa
Trên hình 3.6 là màn hình hiện sóng (Peaktech 1265) khi khảo sát tín hiệu kích SCR hoạt động theo tín hiệu điều khiển đánh lửa (IGT4).
MẠCH TẠO TÍN HIỆU IGF
ECU của động cơ 1NZ-FE (TOYOTA) cần nhận tín hiệu phản hồi đánh lửa (IGF) từ hệ thống đánh lửa để đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ Khi thay thế các IC đánh lửa không có khả năng gửi tín hiệu IGF, ECU sẽ không nhận được phản hồi cần thiết, gây ảnh hưởng đến quá trình vận hành của xe Chính vì vậy, cần thiết kế mạch tạo tín hiệu IGF phù hợp để gửi về ECU, đảm bảo hệ thống đánh lửa hoạt động bình thường và duy trì hiệu suất tối ưu của động cơ.
Sơ đồ mạch tạo tín hiệu IGF được tác giả đề xuất dựa trên hình 3.7, trong đó các tín hiệu IGT được trích xuất từ ECU động cơ qua các diode D1, D2, D3, D4 để điều khiển Q1 hoạt động tạo ra tín hiệu IGF phản hồi, mô phỏng hệ thống đánh lửa nguyên thủy của động cơ Biểu đồ thực tế khảo sát trên thiết bị đo sóng thể hiện rõ đặc điểm của tín hiệu IGF tạo ra từ mạch, giúp phân tích chính xác quá trình hoạt động của hệ thống.
Hình 3.7: Mạch tạo tín hiệu IGF
Hình 3.8: Tín hiệu IGF khi thử nghiệm trên động cơ
CHỌN DUNG LƯỢNG TỤ CHO HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID 43
3.4.1 Thời gian nạp đầy tụ
Trong hình 3.9, đồ thị thể hiện quá trình điện áp nạp tụ theo thời gian, theo định luật của tụ điện phải xác định theo công thức τ = RC, trong đó τ là thời gian nạp tụ Khi thời gian nạp t bằng τ, điện áp tích lũy trên tụ đạt khoảng 65% điện áp nguồn; còn khi t bằng 4 τ, tụ đã nạp đầy 98% điện áp nguồn Điều này cho thấy quá trình nạp tụ diễn ra theo quy luật exponential, với thời gian nạp ngắn hơn 4 τ là đủ để tụ nạp gần như đầy điện áp nguồn.
Với R = 1,12 Ω, C = 1 μF, thời gian nạp đầy tụ (98 %Vnạp) là: t = 4RC = 4.1,12.1.10 -6 = 4,48.10 -6 s = 4,48 μs
Hình 3.10: Thời gian nạp tụ bằng 1/4 thời gian hình thành chu kỳ (T) xung sức điện động tự cảm cực đại V1 [14]
Trong quá trình đánh lửa điện cảm, trên mạch sơ cấp xuất hiện xung sức điện động tự cảm V1 (hình 3.10), thể hiện quá trình tích tụ năng lượng từ trường Thời gian nạp tụ bằng một nửa thời gian của xung điện áp đầu tiên, đồng thời bằng một phần tư chu kỳ T của xung sức điện động tự cảm cực đại, đảm bảo hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong hệ thống đánh lửa điện cảm.
Hình 3.11: Thời gian hình thành một chu kỳ của V1 và thời gian nạp đầy tụ [14]
Thời gian hình thành một chu kỳ (T) tăng khi điện dung tụ từ 0,22 đến 9 μF, trong đó T thấp nhất là 156,3 μs tại tụ có điện dung 0,22 μF Thời gian nạp tụ bằng 1/4 thời gian hình thành chu kỳ của V1, tương đương 39,075 μs, lớn hơn nhiều so với thời gian nạp đầy tụ là 0,9856 μs Khi tăng điện dung tụ từ 0,22 đến 9 μF, thời gian hình thành chu kỳ của V1 vẫn duy trì giá trị lớn hơn nhiều so với thời gian nạp đầy tụ, dẫn đến điện áp trên đầu tụ đạt đến giá trị sức điện động tự cảm cực đại V1.
Hình 3.12: Cực đại sức điện động tự cảm V1 theo thời gian ngậm với r 6 (Ω), R=1,12 (Ω), L1=1,25.10 -3 (H), U,54 (V), C=1 (μF) [14]
Hình 3.12 minh họa đồ thị biểu diễn sức điện động tự cảm V1, chính là điện áp cực đại nạp cho tụ tích trên hệ thống đánh lửa hybrid khi sử dụng tụ 1 μF Đồ thị này giúp hiểu rõ hơn về quá trình nạp điện của tụ trong hệ thống, đồng thời liên quan mật thiết đến hiệu suất hoạt động của bộ phận đánh lửa Việc phân tích sức điện động tự cảm V1 là yếu tố quan trọng trong thiết kế và tối ưu hóa hệ thống đánh lửa hybrid, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.
3.4.2 Năng lượng tích lũy trên tụ
Năng lượng tích lũy trên tụ được tính theo biểu thức:
Trên hình 3.13 điện áp cực đại trên tụ và năng lượng tích lũy trên tụ khi thay đổi dung lượng tụ 0,22 – 9 àF
Năng lượng tích lũy trên tụ giảm dần khi tăng điện dung của tụ Theo đồ thị, với điện dung tụ là 0,22 μF, năng lượng tích lũy đạt giá trị cực đại WC = 20,7 mJ, tương ứng với sức điện động tự cảm V1 = 433,8 V Khi điện dung tụ là 0,5 μF, năng lượng tích lũy giảm xuống còn 20,17 mJ, với V1 là 284 V Với điện dung tụ là 1 μF, năng lượng tích lũy còn 19,53 mJ, và sức điện động tự cảm V1 giảm còn 197,6 V.
Hình 3.13: Sự thay đổi năng lượng tích lũy trên tụ theo dung lượng tụ với tng=5.10 -3
Trong thực tế, tụ điện có hiện tượng rò điện khiến điện áp trên tụ bị sụt giảm theo thời gian, gây ra tổn thất năng lượng tích trữ Hệ số phân tán do rò điện D được tính theo công thức đã được trình bày trong tài liệu [14], phản ánh mức độ ảnh hưởng của rò điện đến hiệu suất của tụ.
C: điện dung tụ (F) ω: tốc độ góc của hệ được xét (rad/s)
Hình 3.14 mô phỏng năng lượng tích lũy trên tụ khi có và không có tổn thất, cho thấy năng lượng đạt cực đại 18,3 mJ tại C=1 μF và thấp nhất 14,79 mJ tại C=0,22 μF Kết quả mô phỏng xác định rằng, để tối ưu năng lượng tích lũy trên tụ, các tham số như thời gian ngậm, thời gian nạp, điện áp nạp và độ sụt áp trên tụ cần được điều chỉnh phù hợp, đặc biệt là với tụ có dung lượng C=1 μF Trong các hệ thống đánh lửa thông thường, năng lượng cần thiết để phát tia lửa là khoảng 15 mJ, nhưng để duy trì tia lửa lâu hơn và giảm thiểu tổn thất, năng lượng đánh lửa thường nằm trong khoảng 30-50 mJ Đối với hệ thống đánh lửa hybrid trên động cơ bốn xi-lanh, mỗi tụ điện cần tích lũy ít nhất 10 mJ để đảm bảo hoạt động hiệu quả, vì hệ thống có ba tụ điện trong chu trình này.
VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID
Tiến hành lắp đặt hệ thống đánh lửa Hybrid theo các thông số đã trình bày trong bảng 3.3 Sau đó, hệ thống được vận hành thử ở tất cả các dãy tốc độ động cơ từ 800 rpm trở lên để kiểm tra hiệu suất hoạt động Quá trình này nhằm đảm bảo hệ thống đánh lửa Hybrid hoạt động ổn định, tối ưu hóa khả năng đốt cháy nhiên liệu và nâng cao hiệu quả vận hành của động cơ.
Đo khảo sát sức điện động tự cảm và điện áp tích trữ trên tụ điện của động cơ 1NZ-FE tại vòng quay 6000 vòng/phút, sử dụng thiết bị đo sóng PicoScope 4225, đã được thể hiện rõ ràng trong hình 3.15, giúp đánh giá chính xác hiệu suất hoạt động của hệ thống điện của động cơ.
Bảng 3.2: Thông số hệ thống đánh lửa Hybrid
Hệ thống đánh lửa điện cảm Bô-bin điện cảm R1 = 1.12 ();
Transitor đánh lửa Power Transitor Nissan
Hệ thống đánh lửa điện dung
Tụ điện Ba tụ 1 àF 630V
Hình 3.15: Sức điện động tự cảm và điện áp trên cuộn dây sơ cấp của bô-bin điện cảm, điện dung
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Sức điện động tự cảm Điện áp tụ điện phóng
THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ
MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
ĐỐI TƯỢNG, ĐẶC ĐIỂM, ĐỊA ĐIỂM THỰC NGHIỆM
Thực nghiệm được thực hiện trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, với hệ thống đánh lửa trực tiếp và hệ thống điều khiển phun nhiên liệu bằng ECU của Toyota (1NZ-FE) đã qua sử dụng.
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của động cơ Toyota 1NZ-FE
Thông số kỹ thuật Đặc điểm
Trị số octan nhiên liệu (RON) ≥ 95
Công suất cực đại 81,2 kW tại 6000 vòng/phút
Momen xoắn cực đại 141 Nm tại 4200 vòng/phút
Mức CO tại tốc độ không tải < 0,5 %vol,
Mức HC tại tốc độ không tải 100 ppm
Mức CO2 tại tốc độ không tải 14,5-16 %vol,
Mức O2 tại tốc độ không tải 0,1-0,5 %vol,
Lamda tại tốc độ không tải 0,98 -1,02
Hệ thống đánh lửa Điện cảm
Số vòng quay không tải 700 ± 50 vòng/phút Động cơ sử dụng hệ thống EFI Điều khiển phun xăng – đánh lửa bằng máy tính
4.2.2 Nội dung và đặc điểm thực nghiệm:
So sánh các thông số đánh giá động cơ Toyota 1NZ-FE:
- Tính hiệu quả: Momen, công suất
- Tính kinh tế: Suất tiêu hao nhiên liệu theo giờ
- Các chỉ tiêu về phát thải: nồng độ CO, HC
Hệ thống đánh lửa nguyên thủy điện cảm và hệ thống đánh lửa hybrid được sử dụng để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống, đặc biệt là khả năng tích trữ năng lượng tự cảm Việc so sánh giữa hai hệ thống giúp làm rõ các ưu điểm nhược điểm của công nghệ đánh lửa hybrid, từ đó tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ Hệ thống đánh lửa hybrid nổi bật với khả năng tích lũy năng lượng tự cảm, góp phần nâng cao độ nhạy và độ chính xác trong quá trình đánh lửa Đánh giá dựa trên các kết quả thực nghiệm giúp xác định rõ tiềm năng của hệ thống đánh lửa hybrid trong các ứng dụng thực tế.
Các đặc điểm thí nghiệm:
- Đánh giá moment, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu theo giờ, nồng độ CO,
Hệ thống đánh lửa trên động cơ 1NZ-FE có thể hoạt động bằng hai phương pháp khác nhau: hệ thống đánh lửa điện cảm và hệ thống hybrid Khi sử dụng các hệ thống này, các thông số đầu vào được giữ nguyên theo bảng 4.2 để đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu Việc lựa chọn hệ thống đánh lửa phù hợp giúp cải thiện hiệu suất động cơ và tiết kiệm nhiên liệu.
Bảng 4.2: Các thông số đầu vào khi thử nghiệm hai hệ thống đánh lửa
STT Thông số Giá trị Ghi chú
3 Nhiệt độ nước làm mát động cơ
90 0 C Lúc bắt đầu thực nghiệm
Thực nghiệm được thực hiện trên động cơ EFI (Electronic Fuel Injection), trong đó các thông số như góc đánh lửa sớm, thời gian ngậm điện, thời điểm phun nhiên liệu và lượng nhiên liệu đều được điều khiển bởi ECU động cơ Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu của động cơ EFI Việc điều chỉnh chính xác các tham số này giúp tối ưu hóa quá trình vận hành của xe, mang lại khả năng vận hành mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu.
Các số liệu thu thập phục vụ cho các phép đo được thực hiện đồng bộ trong cùng một chế độ đo, điểm đo và các thông số ảnh hưởng đến kết quả Các phép đo được lặp lại 3 lần để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của dữ liệu Giá trị thể hiện trên đồ thị chính là trung bình cộng của kết quả từ 3 lần đo, mang lại kết quả phản ánh chính xác hơn về hiện tượng nghiên cứu.
Thực nghiệm được tiến hành tại phòng Thí nghiệm động cơ của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM.
NHIỆM VỤ, PHƯƠNG PHÁP, QUI TRÌNH THỰC NGHIỆM
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã thu thập các giá trị của các thông số chính như momen, công suất, suất tiêu hao nhiên liệu theo giờ, cùng các chỉ số đánh giá chất lượng khí thải như CO và HC của động cơ Toyota 1NZ-FE Các thông số này được đo đạc đồng bộ trong các chế độ thực nghiệm và tại các thời điểm lấy mẫu khác nhau, đảm bảo tính chính xác và so sánh khách quan Nghiên cứu so sánh hiệu quả của hệ thống đánh lửa điện cảm và hệ thống đánh lửa Hybrid trong việc tối ưu hóa hiệu suất động cơ, đồng thời giảm thiểu khí thải độc hại Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về các thông số kỹ thuật và khí thải giữa hai hệ thống đánh lửa, góp phần nâng cao hiệu quả động cơ và thân thiện môi trường.
- So sánh và đánh giá các thông số đã thu thập được
- Đánh giá hiệu quả của hệ thống đánh lửa Hybrid
Dựa và hai phương pháp chính:
- Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm
- Phương pháp thực nghiệm so sánh
4.3.3.1 Kiểm tra tình trạng làm việc và điều chỉnh các thiết bị đo:
- Thiết bị đo chất lượng khí thải (chọn chế độ “purge” để loại bỏ lượng khí thải tồn động trong đường ống ở lần đo trước đó)
- Thiết bị đo công suất động cơ (kiểm tra nước làm mát, chuẩn bị quạt gió…)
- Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu (chọn chế độ “tare” để thiết lập cân về trạng thái bằng 0)
4.3.3.2 Thiết lập các giá trị ban đầu khi thực hiện thí nghiệm
- Kiểm tra hệ thống làm mát động cơ, làm mát băng thử
- Kiểm tra mức nhiên liệu
- Kiểm tra điện áp ắc-quy tại giá trị ban đầu: 12,54 V
Khởi động động cơ kiểm tra các giá trị:
- Áp suất nhiên liệu: 2,7 - 3,2 Kgf/cm 2
- Nhiệt độ nước làm mát đạt khoảng 90 0 C
4.3.3.3 Tiến hành đồng thời các phép đo:
Mômen, công suất và suất tiêu hao nhiên liệu theo giờ đều có các thông số đánh giá chất lượng khí thải (CO, HC) ổn định, phù hợp trong các chế độ thử nghiệm và thời điểm lấy mẫu khác nhau Quá trình này được thực hiện liên tục khi sử dụng hệ thống đánh lửa điện cảm và hệ thống đánh lửa Hybrid, đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của dữ liệu khí thải, từ đó đánh giá hiệu quả hoạt động của các hệ thống đốt trong động cơ.
❖ Đo công suất, momen xoắn:
- Khởi động hệ thống AVL EMCON 400
- Nhấn "MANUAL" để điều khiển băng thử bằng tay
- Khởi động động cơ bằng phím “Start”
- Cho động cơ hoạt động cầm chừng đến khi đạt nhiệt độ ổn định khoảng 90 o C
- Chọn chế độ Speed/Alpha
- Giữ bướm ga mở 20%, ở mỗi dãy tốc độ từ 1000 đến 6000 vòng/phút với bước đo 250 vòng/phút, ghi lại kết quả moment và công suất mà máy đo được
- Tương tự đo công suất và moment khi điều khiển bướm ga các vị trí tại 35%, 50%, 75%, 100%
❖ Đo chất lượng khí thải:
- Để động cơ hoạt động ở chế độ cầm chừng
- Đặt ống đo khí thải vào ống xả
- Khởi động máy đo khí xả (HG-520)
- Nhấn nút ‘MEAS’ máy sẽ tự động đo từng thành phần trong khí thải như CO, HC, CO2, O2, NOx
- In ra kết quả từ máy đo khí xả
❖ Đo tiêu hao nhiên liệu:
- Đo khối lượng nhiên liệu ban đầu
Động cơ hoạt động ở chế độ bướm ga mở 20% trong 5 phút để đảm bảo hoạt động ổn định Sau đó, tiến hành đo lại khối lượng nhiên liệu tiêu thụ ở các dãy tốc độ từ 1000 đến 6000 vòng/phút, với bước đo là 500 vòng/phút Các kết quả đo lường được ghi lại để phân tích hiệu quả hoạt động của động cơ ở các tốc độ khác nhau, góp phần tối ưu hóa hiệu suất vận hành.
- Tương tự đo khối lượng nhiên liệu của động cơ hoạt động ở các chế độ bướm ga tại 35%, 50%, 75% và 100%.
KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM
Bước 1: Thiết kế - thi công mạch đánh lửa Hybrid
Bước 2: Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm
- Kết nối băng thử công suất và động cơ Toyota 1NZ-FE (bảo đảm độ đồng trục và độ đảo của mặt bích lắp ghép ≤ 0,5 mm)
- Lắp đặt két nước làm mát
- Liên kết hệ thống thải
- Vận hành động cơ đảm bảo các chê độ vận hành, kiểm tra sự liên kết giữa các khớp nối
Bước 3: Điểu chỉnh các thông số của thiết bị đo công suất AVL
- Cân chỉnh thiết bị đo moment
- Cân chỉnh thiết bị điều khiển cánh bướm ga
Bước 4: Lắp đặt từng thiết bị của hệ thống đánh lửa cần đánh giá
Bước 5: Lắp đặt các thiết đo chất lượng khí thải và tiêu hao nhiên liệu Bước 6: Tiến hành thực nghiệm và thu thập các số liệu cần thiết
Bước 7: Xử lý các số liệu thực nghiệm
Bước 8: Đánh giá kết quả thực nghiệm.
THIẾT BỊ ĐO
4.5.1 Thiết bị đo công suất: Thiết bị Dynoperform
Thiết bị băng thử công suất AVL Eddy Current Dynamometer do Áo sản xuất là giải pháp đo công suất, moment và tốc độ động cơ chính xác và nhanh chóng Với chức năng điều khiển động cơ ở các chế độ tải mong muốn, thiết bị này đảm bảo quá trình thử nghiệm diễn ra ổn định và tin cậy Sản phẩm phù hợp để đánh giá hiệu suất động cơ một cách hiệu quả, giúp các nhà kỹ thuật tối ưu hóa hoạt động của động cơ một cách chính xác.
Hình 4.1: Thiết bị băng thử công suất AVL Eddy Current Dynamometer
Trên hình 4.1 là thiết bị đo công suất động cơ bằng điện (Eddy Current), thiết bị có thông số kỹ thuật như bảng 4.3
Bảng 4.3: Thông số kỹ thuật thiết bị Dynamometer
Thông số kỹ thuật Đặc tính Đặc tính thiết bị Đo công suất bị động
Khớp nối Crandle-mounted Đo moment Load Cell
Phạm vi đo công suất 160 kW Tốc độ tối đa 10.000 vòng/phút
Hình 4.2 trình bày sơ đồ bố trí trang thiết bị của phòng thử nghiệm động cơ Động cơ được khảo sát trên băng thử công suất nhãn hiệu AVL, đảm bảo độ chính xác và đáng tin cậy cho các phép đo Phòng thí nghiệm động cơ tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM được trang bị hệ thống AVL EMCON 400 hiện đại, hỗ trợ công tác nghiên cứu và thử nghiệm động cơ một cách hiệu quả.
Thiết bị có các chức năng:
- Điều khiển, đo chính xác moment, công suất và tốc độ thiết bị
- Vận hành băng thử cho phép kiểm soát moment của dyno, tốc độ quay của dyno và phần trăm mở bướm ga của động cơ
Hình 4.3: Bảng điều khiển hệ thống EMCON 400
Hình 4.3 trình bày bảng điều khiển hệ thống EMCON 400, cho phép điều khiển băng thử công suất động cơ hiệu quả Hệ thống này hiển thị các thông số đo rõ ràng, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều chỉnh Các chức năng cơ bản của hệ thống EMCON 400 bao gồm kiểm soát công suất và giám sát các thông số kỹ thuật của động cơ, đảm bảo quá trình thử nghiệm diễn ra an toàn và chính xác.
57 người dùng như: khởi động (tắt) động cơ, điều khiển tốc độ cầm chừng, chọn các chế độ vận hành ở đây chúng ta sử dụng chế độ Speed/Alpha…
Hình 4.4: Thiết bị đo công suất động cơ
Hình 4.4 trình bày thiết bị đo công suất động cơ Eddy Current Dynamometer, giúp giám sát hiệu suất hoạt động của động cơ và hệ thống điều khiển động cơ Thiết bị này còn cho phép theo dõi trạng thái hoạt động của băng thử, đồng hồ đo áp suất nhiên liệu, đồng thời dễ dàng chuyển đổi hệ thống đánh lửa để đảm bảo quá trình kiểm thử được chính xác và linh hoạt.
4.5.2 Thiết bị đo lượng tiêu hao nhiên liệu:
Trong quá trình đo kiểm công suất động cơ, nhiên liệu tiêu thụ được xác định dựa trên lượng nhiên liệu cân khối lượng trong suốt thời gian vận hành Thiết bị cân FP7000 CLASSIC Model 406-II của hãng Fillon là công cụ chính xác và hiệu quả để đo lượng nhiên liệu tiêu thụ, giúp đánh giá chính xác moment động cơ trong quá trình vận hành Việc sử dụng thiết bị này đảm bảo tính chính xác cao và đáp ứng các yêu cầu về kiểm định, nâng cao hiệu suất và độ bền của động cơ.
Bảng 4.4: Thông số kỹ thuật thiết bị FP7000 Classic
Phạm vi cân 0 – 7000 grams (7kg)
Phạm vi so chuẩn 0 – 7000 grams Thời gian ổn định < 1,5 giây
Tỉ lệ cập nhật 6 lần/s
Hình 4.5: Thiết bị FP7000 CLASSIC
4.5.3 Thiết bị đo chất lượng khí thải:
Lượng khí thải động cơ là yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả cải tiến hệ thống đánh lửa, thông qua các thành phần khí thải như CO Việc giảm khí thải CO thể hiện rõ ràng sự nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống đánh lửa, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao tiêu chuẩn vận hành của động cơ Đo kiểm khí thải là bước cần thiết để chứng minh sự tiến bộ và thành công của các cải tiến kỹ thuật trong hệ thống động cơ.
Thiết bị đo kiểm và phân tích thành phần khí thải HG-520 của hãng HESHBON - Hàn Quốc là giải pháp tự động chính xác trong việc đo khí thải HG-520 chuyên dụng đo các thành phần quan trọng như Cacbon oxit (CO), Hydrocarbon (HC), Cacbondioxid (CO2), Oxy (O2) và NOx trong khí thải của động cơ Sử dụng công nghệ tiên tiến, thiết bị giúp đảm bảo kiểm soát khí thải hiệu quả, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt.
Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật thiết bị đo khí xả HG-520
Nhiệt độ hoạt động 0 – 40 O C Nguồn điện hoạt động AC220V 50/60Hz
Hình 4.6: Thiết bị HG-520 của hãng HESHBON - Hàn Quốc
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Các ký hiệu được sử dụng trong phần kết quả thực nghiệm: ne: Tốc độ động cơ (vòng/phút)
Pe1: Công suất của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy (kW) Me1: Moment của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy (N.m)
Lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy đo bằng gram trên giờ (g/h), phản ánh mức tiêu hao nhiên liệu trong quá trình vận hành Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ, sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy, là chỉ số quan trọng thể hiện lượng nhiên liệu cần thiết để sinh ra một kilowatt-giờ năng lượng (g/kW.h), giúp đánh giá hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ.
Pe2: Công suất của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid (kW) Me2: Moment của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid (N.m)
Gn2: Lượng nhiên liệu tiêu thụ của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa
Hybrid (g/h) ge2: Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid (g/kW.h)
4.6.1 Chế độ tải 20 % vị trí bướm ga
Hình 4.7: Đồ thị công suất, moment ở chế độ 20% bướm ga của hệ thống đánh lửa nguyên thủy và Hybrid
Biểu đồ công suất và mô-men của động cơ Toyota 1NZ-FE thể hiện rõ sự khác biệt khi sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy so với hệ thống Hybrid Động cơ dùng hệ thống đánh lửa nguyên thủy đạt công suất cực đại 16,7 kW tại 3750 vòng/phút và mô-men cực đại 72,4 N.m tại 1000 vòng/phút, trong khi đó, động cơ với hệ thống Hybrid có công suất cực đại 16,6 kW tại cùng tốc độ và mô-men cực đại 71,5 N.m tại 1000 vòng/phút Những kết quả thử nghiệm này giúp đánh giá hiệu quả hoạt động của hai hệ thống đánh lửa trên động cơ Toyota 1NZ-FE.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi mở bướm ga đạt 20%, hệ thống đánh lửa Hybrid mang lại công suất và mô-men đáp ứng thấp hơn so với hệ thống đánh lửa nguyên thủy trong phạm vi tốc độ động cơ từ 1750 đến 3250 vòng/phút Biểu đồ mô phỏng theo lý thuyết và các nghiên cứu công bố trước đây cho thấy biên dạng của biểu đồ phù hợp, phản ánh chính xác hiệu suất của các hệ thống đánh lửa.
Hình 4.8: Đồ thị lượng nhiên liệu tiêu thụ và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở chế độ 20 % bướm ga của hệ thống đánh lửa nguyên thủy và Hybrid
Hình 4.8 trình bày biểu đồ so sánh lượng nhiên liệu tiêu thụ và suất tiêu hao nhiên liệu có ích ở chế độ 20% bướm ga của hệ thống đánh lửa nguyên thủy và Hybrid Báo cáo này giúp phân tích hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu giữa hai hệ thống, từ đó đánh giá khả năng tối ưu hóa hiệu suất vận hành Dữ liệu trên biểu đồ cung cấp cái nhìn rõ ràng về sự khác biệt trong tiêu thụ nhiên liệu và mức độ tiết kiệm năng lượng của từng hệ thống.
Hệ thống đánh lửa Hybrid (ge2) tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn trong khoảng tốc độ động cơ từ 1500 đến 3000 vòng/phút Tuy nhiên, trong phạm vi tốc độ này, động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid cho thấy hiệu quả thấp hơn so với hệ thống đánh lửa nguyên thủy (ge1), dẫn đến suất tiêu hao nhiên liệu cao hơn.
Trong khoảng tốc độ 3500 – 5500 vòng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid thấp hơn, cho thấy hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu vượt trội trong vùng tốc độ này.
62 động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid tiết kiệm nhiên liệu hơn, đạt hiệu quả cao hơn động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy
Hệ thống đánh lửa Hybrid cho động cơ 4 xi-lanh gồm ba mạch đánh lửa điện cảm và một mạch đánh lửa điện dung, nổi bật với sự khác biệt về thời gian duy trì tia lửa điện tại điện cực bu-gi Cụ thể, hệ thống đánh lửa điện cảm duy trì tia lửa khoảng 2 ms, lâu hơn so với hệ thống điện dung chỉ duy trì từ 0,1 đến 0,3 ms Thời gian duy trì tia lửa điện của hệ thống điện dung ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy trong động cơ đốt trong, qua đó ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của xe.
Từ kết quả thí nghiệm ở chế độ tải 20 % vị trí bướm ga của động cơ khi sử dụng hai hệ thống đánh lửa nguyên thủy và Hybrid cho thấy:
Vùng tốc độ động cơ từ 1500 – 3000 vòng/phút, hệ thống đánh lửa Hybrid chưa đạt hiệu quả kinh tế so với hệ thống đánh lửa nguyên thủy, do hỗn hợp hòa khí lúc này nhạt (λ ~ 1,25 – 1,36), làm tốc độ cháy chậm hơn và tỷ lệ khí sót tăng (khoảng 20% khi tải nhỏ), ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình cháy Thời gian duy trì tia lửa điện ngắn hơn của hệ thống đánh lửa điện dung cũng góp phần làm giảm hiệu quả cháy trong xi-lanh sử dụng hệ thống đánh lửa này.
Khi tốc độ động cơ từ 3500 – 5500 vòng/phút, hệ thống đánh lửa Hybrid đạt hiệu quả kinh tế tương đương hoặc cao hơn so với hệ thống đánh lửa nguyên thủy Mặc dù thời gian duy trì tia lửa của hệ thống điện dung ngắn hơn, nhưng ở chế độ tải trong vùng tốc độ này, hệ số dư lượng không khí λ dao động khoảng 0,89 – 1,1, gần như lý tưởng (λ ≈ 1), giúp quá trình cháy của hỗn hợp hòa khí diễn ra tối ưu.
63 hơn (Hình 4.10, 4.11 và 4.12) nên sự ảnh hưởng của thời gian duy trì tia lửa là không lớn
Hình 4.9: Bản đồ hệ số dư lượng không khí theo tốc độ và tải (áp suất chỉ thị trung bình (bmep) của động cơ [21]
Hình 4.9 trình bày bản đồ hệ số dư lượng không khí theo tốc độ và tải của động cơ, cho thấy vùng tải nhỏ và tốc độ từ 1500 đến 2800 vòng/phút có hệ số dư lượng không khí λ ≈ 1,36, nghĩa là hỗn hợp nhiên liệu- không khí sẽ nhạt hơn khi động cơ vận hành ở tải lớn và tốc độ cao Trong khi đó, ở vùng tải lớn và tốc độ cao, hệ số dư lượng không khí giảm xuống còn khoảng 0,89 – 0,96, cho thấy hỗn hợp trở nên hơi đậm hơn.
Hình 4.10: Đồ thị tốc độ cháy phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí [21]
Hình 4.10 trình bày đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ cháy và hệ số dư lượng không khí Theo đó, tốc độ cháy của hỗn hợp hòa khí đạt mức tối ưu khi hệ số dư lượng không khí xung quanh khoảng λ ~ 0.85, tức là ở vùng nhiên liệu hơi đậm Điều này cho thấy việc điều chỉnh hệ số dư lượng không khí phù hợp là yếu tố quan trọng để đạt hiệu suất cháy tốt nhất trong quá trình sử dụng hỗn hợp hòa khí.
Hình 4.11: Đồ thị ảnh hưởng của tốc độ động cơ n đến tốc độ lan tràn màn lửa [20]
Hình 4.11 thể hiện đồ thị ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến tốc độ lan truyền của màn lửa Khi tốc độ động cơ tăng, dòng khí trong buồng cháy vận động nhanh hơn, dẫn đến tăng tốc độ cháy của hỗn hợp Sự gia tăng tốc độ động cơ có tác động trực tiếp đến hiệu suất cháy và khả năng lan truyền của màn lửa trong hệ thống động cơ.
Hình 4.12: Đồ thị tốc độ cháy của một số hỗn hợp theo độ đậm đặc ϕ hỗn hợp [20]
Hình 4.12 trình bày đồ thị tốc độ cháy của các hỗn hợp theo độ đậm đặc ϕ, cho thấy rằng tốc độ cháy đạt cực đại khi hỗn hợp hơi có độ đậm đặc phù hợp Điều này phản ánh tầm quan trọng của độ đậm đặc trong quá trình cháy, giúp xác định điều kiện tối ưu để hoạt động cháy hiệu quả Các nghiên cứu chỉ ra rằng, khả năng cháy của hỗn hợp tăng khi độ đậm đặc của hơi đạt đến mức tối ưu, như đã được đề cập trong tài liệu [22], qua đó cung cấp thông tin quan trọng cho các ứng dụng thực tế.
Hình 4.13: Đồ thị biến thiên của tốc độ cháy theo lượng khí làm bẩn hỗn hợp [23]
Hình 4.13 thể hiện sự biến thiên của tỉ lệ tốc độ cháy theo hàm lượng khí sót SL(xb) so với tốc độ cháy ban đầu SL(0) khi không có khí sót làm bẩn hỗn hợp Sự xuất hiện của sản phẩm cháy và khí sót trong hỗn hợp khí chưa cháy làm giảm đáng kể tốc độ cháy, ảnh hưởng đến quá trình cháy của nhiên liệu Đối với động cơ xăng, tỉ lệ khí sót xr là khoảng 20% ở chế độ tải nhỏ và giảm còn khoảng 7% khi tải lớn, cho thấy ảnh hưởng của khí sót đến hiệu suất và quá trình cháy của động cơ.
4.6.2 Chế độ tải 35 % vị trí bướm ga
Hình 4.14: Đồ thị công suất, moment ở chế độ 35 % bướm ga của hệ thống đánh lửa nguyên thủy và Hybrid
Hình 4.14 thể hiện biểu đồ công suất và mômen của động cơ khi sử dụng hai hệ thống đánh lửa nguyên thủy và Hybrid Động cơ trang bị hệ thống đánh lửa nguyên thủy đạt công suất tối đa 41,9 kW tại 5500 vòng/phút và mômen cực đại 98,4 N.m tại 2250 vòng/phút Trong khi đó, động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid có công suất cực đại lên tới 42,8 kW.
5500 vòng/phút, moment đạt cực đại 97,3 N.m tại 2250 vòng/phút