Năng lượng đánh lửa khi dùng hệ thống đánh lửa laser và hệ thống đánh lửa

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

4.2 Năng lượng đánh lửa khi dùng hệ thống đánh lửa laser và hệ thống đánh lửa

Bây giờ ta thử so sánh năng lượng đánh lửa của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa laser (LIS) và khi dùng hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS). Năng lượng đánh lửa cũng phần nào nói lên được hiệu quả cháy của một động cơ, nếu năng lượng lớn thì quá trình cháy diễn ra hoàn hảo, hòa khí cháy hoàn toàn và sinh công lớn, không gây ô nhiễm môi trường. Năng lượng đánh lửa của hệ thống đánh lửa cưỡng bức phụ thuộc nhiều vào yếu tố, đặc biệt là quá trình ngắt điện ở cuộn sơ cấp và thời gian tăng trưởng của dòng điện thứ cấp, đó chính là thời gian ngậm điện

“dwell”:[12]

(4.1) Trong đó:

U1: hiệu điện thế ngoài cung cấp (Ắc quy), U1 = 12 [V]

R1: điện trở của cuộn sơ cấp, R1 = (0,5 – 1,0) [Ω], điện trở trong càng nhỏ thì bô bin có giá thành đắt.

L1: độ tự cảm của cuộn sơ cấp, L1 = (0,1 – 5,0).10-3 [H], chọn L1 = 0,62.10-3 [H], vì L1 tăng cao quá sẽ làm giảm I1ng và gây tia lửa điện ở tiếp điểm.

Khi đó, dòng điện cực đại đi qua cuộn sơ cấp chính là max

1 ng

I U

 R , với R1 là điện trở tại cuộn sơ cấp, giá trị R1 trên xe máy hiện đại ngày nay gần bằng 0,6. Thời gian

dòng điện đi qua cuộn sơ cấp:

(4.2)

Z là số xy lanh của động cơ, tại đây Z = 1, T là chu kỳ đánh lửa,

d là thời gian tích luỹ năng lượng, có giá trị bằng 2/3.

Nếu tính chính xác thời tích luỹ năng lượng thì giá trị t là một biến theo thời gian.

Còn 1 L1

 R



 gọi là hằng số điện từ của mạch.

Năng lượng đánh lửa của một hệ thống đánh lửa dùng bô bin thường có hai thành phần đó là năng lượng đánh lửa điện dung và năng lượng đánh lửa điện cảm.

WP = WC + WL [mJ] (4.3) Với :

2 . 2

2 đl

C

U

W  C [mJ]

2 . 22

2 I

WL  L [mJ]

WC: năng lượng của điện dung, WL: năng lượng của điện cảm, I2: dòng điện đánh lửa.

Tại thời điểm đánh lửa, năng lượng đã được tích luỹ trong cuộn dây sơ cấp dưới dạng từ trường:

Wd t = 2 . 2

1 Ing

L = 2 / 2

1 2

1. (1 )

2

d 

e t

R U

L   . (4.4) Trong đó:

Wdt: năng lượng tích luỹ dòng điện trên cuộn sơ cấp.

. .120 .

d

d d

t T

n Z

 

 

Khi SCR dẫn điện (chưa xuất hiện dòng cao thế ) thì Wd tđược tích lũy trong C1, C2

và một phần biến thành nhiệt tiêu tán Q.

U Q C U C I

W NL  L ng   

2 2

2

2 2 2 2 1 1 1

2 1

1 (4.5)

Mà:

Q U

W C C W I

W L U W

U 2 22

2

2 1 ng 1

21 1 2

1 2

1 











  

 



 





Với Kba = W1/W2

Chọn số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp (thông số tham khảo nhà sản xuất):

W1 = 350 [vòng]

W2=19000 [vòng]

Kba = W1/W2=350/19000 =0,018 Sau khi biến đổi ta nhận được:

2 1 12 '

1 1 2

2 U I ng L

C W C

W



  



 

 

 

(4.6)

2.10 3.0,7

10,127. . 20623,86

2 7.10 7.0,0182 1.10 10 U

      [V] = 20,624 [kV]

Trong đó:

C1: điện dung của mạch sơ cấp (tụ điện), C2: điện dung của mạch thứ cấp,

C1, C2 : tụ điện của mạch sơ cấp và thứ cấp.

Chọn C1 = 0,7.10-6 [F]

C2 = 10-10 [F]

Q: Tổn thất dưới dạng nhiệt,

': Hệ số tính đến sự giảm U2 do tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt trong cả hai mạch sơ cấp và thứ cấp ('=0,75 – 0,85).hiệu suất chọn = 0,8 .

Giai đoạn xuất hiện tia lửa điện cao thế ở bugi khi U2 tăng đến giá trị Uđl khi thế hiệu U2 vừa đạt đến giá trị Uđl, đủ để xuyên qua khe hở giữa các điện cực của bugi, thì ở đó sẽ xuất hiện tia lửa điện cao thế. Khi xuất hiện tia lửa điện thì U2 giảm đột ngột trước khi kịp đạt giá trị cực đại.

(4.7) Trong đó:

Kđl: Hệ số dự trữ Kđl = (1,5 – 2,0) Chọn Kđl =1,5.

Vậy [V] =13,749 [kV]

Bây giờ ta đi tính năng lượng đánh lửa điện dung, ta có:

2 10 2

. 3,375.10 .13749,1

2 2

C Udl WC

    0,1 [J] = 100 [mJ]

Trong đó: 2 2 7 2 10

2 1

1 ) 1.10

19000 ( 350 10 . 7 )

(     

 C

W C W

C .=3,375.10-10 [F]

Như vậy, năng lượng đánh lửa điện dung là 100 [mJ], còn năng lượng đánh lửa điện cảm là phụ thuộc vào thời gian t.

Với các thông số đầu vào như thế, ta vẽ đồ thị năng lượng đánh lửa của động cơ dùng hệ thống đánh lửa cưỡng bức gồm hai thành phần đó là năng lượng điện dung và năng lượng điện cảm. [13].

Hình 4.2: Năng lượng đánh lửa của hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS) Nhìn vào đồ thị này ta có nhận xét, năng lượng đánh lửa của hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS) có biên dạng là chữ S, phù hợp với cơ sở lý thuyết về đánh lửa, năng lượng này đạt giá trị bão hòa khoảng 100,08 [mJ]. Vì năng lượng tăng từ từ nên nên nó có độ trễ, do đó khi xe chạy ở tốc độ cao thì năng lượng không đủ lớn, do quá trình tăng trưởng dòng thứ cấp không kịp. Nhược điểm là hiệu quả đánh lửa không cao khi xe ở tốc độ lớn khi dùng hệ thống đánh lửa cưỡng bức (do có độ trễ về điện). Nghĩa là, năng lượng tia lửa sẽ yếu dần khi chạy ở tốc độ cao khi dùng hệ thống đánh lửa cưỡng bức.

Đối với hệ thống đánh lửa laser (LIS) thì năng lượng của nó không phụ thuộc vào dòng ngắt cũng như quá trình tăng trưởng của dòng điện thứ cấp. Hệ thống đánh lửa này thì năng lượng phụ thuộc vào IB ngưỡng mật độ năng lượng khi phân rã (breakdown power density threshold) và ngưỡng năng lượng để tạo ra tia laser EB. Chúng có mối liên hệ sau:

2

1 .

B B

I E

 R t

 

  

  (4.8)

Trong đó: R chính là bán kính của tia laser sau khi đi qua tiêu điểm, 1.22. f

R d

trong đó f là tiêu cự và f =350 mm, d=10 mm.

Tia laser bản chất là sóng điện từ (electromagnetic wave) và có năng lượng đánh lửa là:

1,94 104

LIS B

E   I (4.9)

Hình 4.3: Năng lượng đánh lửa của động cơ dùng hệ thống đánh lửa laser (LIS) Nhìn vào đồ thị ta có nhận xét rằng, đồ thị năng lượng đánh lửa của động cơ dùng hệ thống đánh lửa laser có biên dạng là đường cong Hybepol và ở thời gian rất nhỏ thì năng lượng đánh lửa rất cao, cụ thể nhìn vào đồ thị tại vị trí thời gian 0.001 ms, thì năng lượng tia lửa khoảng 5100 [mJ], lớn hơn rất nhiều so với hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS). Nghĩa là, thời gian đáp ứng tia lửa là rất nhạy, không có độ trễ về thời gian, sỡ dĩ năng lượng tia lửa giảm dần theo thời gian là do hiện tượng mất mát năng lượng của photon khi bức xạ, suy rộng ra là năng lượng của laser từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp gây nên sự tổn thất. Xét về mức độ nhạy tia lửa, không có sự trễ, thì hệ thống đánh lửa laser đáp ứng rất tốt. Còn động cơ dùng hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS) thì có độ trễ về điện, do việc ngắt dòng điện sơ cấp và cần có thời gian tăng trưởng của dòng điện thứ cấp, do đó không đáp

ứng thời gian đánh lửa khi chạy ở tốc độ cao, ở tốc độ cao thì dường như năng lượng tia lửa bị yếu đối với hệ thống đánh lửa cưỡng bức. Cũng có thể suy luận rộng ra là, khi năng lượng tia lửa lớn thì hiệu quả cháy cao, công suất động cơ tăng, quá trình cháy diễn ra hoàn hảo, không gây ô nhiễm môi trường, đó là những tính chất ưu việc của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa laser.