Thực nghiệm đánh giá khả năng tích luỹ năng lượng trên hệ thống đánh lửa Hybrid

THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TÍCH LUỸ NĂNG LƯỢNG

TRÊN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID

EXPERIMENTAL EVALUATION OF THE HYBRID IGNITION SYSTEM

Huynh Xuan Thanh¹, PGS.TS. Ly Vinh Dat²GVC.ThS. Do Quoc Am³

,

¹Trường cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng

^2,3Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

TÓM TẮT

Hệ thống đánh lửa trên ô tô được dùng để đốt cháy hỗn hợp hòa khí trên động cơ xăng.

Dựa vào phương pháp tích lũy năng lượng, hệ thống đánh lửa được chia làm hai loại: hệ

thống đánh lửa điện dung và hệ thống đánh lửa điện cảm. Mặc dù hai loại đánh lửa trên

giống nhau về cách để tạo tia lửa điện cao áp, sự khác biệt giữa chúng là phương pháp

tích lũy năng lượng.

Trong quá trình đánh lửa điện cảm, sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp một phần

sẽ được nạp vào tụ điện, phần năng lượng này dùng để tạo ra tia lửa trong quá trình đánh

lửa điện dung. Hệ thống này gọi là hệ thống đánh lửa hybrid.

Các công trình đã nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống đánh lửa lai, tính toán mô phỏng,

đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đánh lửa điện cảm – điện dung.

Công trình nghiên cứu thực nghiệm đánh giá khả năng tích lũy năng lượng trên mô hình

đánh lửa hybrid. Kết quả nghiên cứu đã thiết kế thành công mạch đánh lửa hybrid, vận

hành trên động cơ thực tế, động cơ đảm bảo các chế độ hoạt dộng. Tác giả tiến hành khảo

sát, thực nghiệm các thông số về công suất, moment của động cơ, suất tiêu hao nhiên liệu,

chất lượng khí thải và khả năng tiết kiệm năng lượng đánh lửa.

Từ khóa: đánh lửa điện dung; đánh lửa điện cảm; đánh lửa lai; sức điện động tự cảm; năng lượng

đánh lửa.

ABSTRACT

An automotive ignition system is used to burn air-fuel mixture on a gasoline engine. Based on the method

of energy accumulation, the ignition system is divided into two types: capacitor and inductive discharged

ignitions. Although these two types of ignition are similar in their way of producing high-voltage spark, the

difference between them is the method of energy accumulation.

During inductive discharged ignition, the inductance on the primary coil is partially charged to the

capacitor, which is used to generate the spark during the capacitor discharged ignition. This system is

called hybrid ignition system.

The works have studied the model of hybrid ignition system, the calculation of the model, and the evaluation

of the factors affecting the hybrid ignition system.

The research evaluates the ability of energy accumulation on hybrid ignition system. Research results have

successfully designed the hybrid ignition circuit, experimental on the actual engine. The engine uses this

circuit to ensure the operating mode. The author had conduct survey the parameters power of engine, torque

of the engine, fuel consumption, emission quality and ability to save energy of ignition.

Keywords: capacitor discharged ignition, inductive discharged ignition, hybrid ignition system,

energy ignition,

1. GIỚI THIỆU

Bảng 1: Thông số thiết bị trên hệ thống

đánh lửa Hybrid

Hệ thống đánh lửa điện cảm trên ô tô có

nhiệm vụ biến đổi điện áp ắc-quy (12 hay

24 V) lên 15 – 30 kV để tạo ra tia lửa điện

xuất hiện trong lòng xy lanh đúng thời

điểm để đảm bảo công suất động cơ. Khi

đóng ngắt dòng sơ cấp của bô-bin đánh

lửa sẽ xuất hiện sức điện động tự cảm

100-300V [1] gây hại cho các thiết bị

đóng ngắt và gây nhiễu cho hệ thống điện.

Một biện pháp dùng tụ điện để thu sức

điện động tự cảm này nhưng chưa tận

dụng được phần năng lượng “thừa” này.

Những mô hình đánh lửa lai (điện cảm-

điện dung) được xây dựng để tận dụng

phần năng lượng thừa này. Công trình này

nghiên cứu, thiết kế mạch đánh lửa lai,

thử nghiệm, đánh giá khả năng tích tũy

năng lượng và so sánh các thông số công

suất, moment, suất tiêu hao nhiên liệu và

chất lượng khí phát thải.

R₁= 1.12

();L₁= 1.25

(mH).

Bô-bin

điện cảm

Hệ thống

đánh lửa

điện cảm

Power

Transitor

Nissan

Transitor

đánh lửa

R₁= 0.8 ();

Bô-bin

điện dung

L₁= 2 (mH).

Hệ thống

đánh lửa

điện dung

SCR đánh

TYN1225

lửa

Ba tụ 1 µF

Tụ điện

630V

2.2 Mạch kích SCR

2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐÁNH

LỬA HYBRID

2.1 Mạch đánh lửa hybrid

Hình 2: Mạch kích SCR đúng thờ i điểm

Trên hình 2 là sơ đồ mạch điều khiển SCR

cho quá trình đánh lửa điện dung. Khi

IGT₄“ON”; T₁, T₂dẫn nạp điện cho tụ

C₀; T₃ngắt; nên chưa kích SCR. Khi IGT₄

“OFF” chính là thời điểm đánh lửa, T₁, T₂

vừa ngắt thì T₃dẫn, tụ điện C₀(1uF/16V)

tức thời phóng điện kích hoạt SCR hoạt

động, năng lượng tích trữ từ cụm tụ tích

đột ngột qua cuộn dây sơ cấp bô-bin điện

dung, làm xuất hiện tia lửa tại bu-gi.

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa Hybrid

Các tín hiệu điều khiển IGT₁, IGT₂,

IGT₃, IGT₄tuần tự xuất hiện theo thứ tự làm

việc của động cơ. Các bô-bin điện cảm

(BOBIN₁, BOBIN₂, BOBIN₃) hoạt động tạo tia

lửa trên điện cực bu-gi 1, 2, 3. Khi các bô-bin

điện cảm này hoạt động sức điện động tự cảm

sinh ra khi ngắt dòng sơ cấp được nạp tuần tự

cho các tụ C₁, C₂, C₃. Tín hiệu IGT₄kích hoạt

SCR hoạt động thông qua mạch kích (được

trình bày ở mục 2.2) nhằm điều khiển chính

xác thời điểm phóng điện qua bô-bin điện

dung (BOBIN₄) điều khiển đánh lửa cho xy-

lanh 4, năng lượng chứa trong các tụ C₁, C₂,

C₃đồng 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.

2.3 Mạch tạo tín hiệu IGF

ECU của động cơ 1NZ-FE

(TOYOTA) cần có tín hiệu phản hồi đánh

lửa IGF gởi về ECU nhằm xác định hệ

thống đánh lửa hoạt động bình thường.

Khi sử dụng các IC đánh lửa thay thế

không có tín hiệu phản hồi đánh lửa nên

tác giả cần thiết kế mạch tạo tín hiệu IGF

để ECU động cơ hoạt động bình thường.

Hình 3: sơ đồ mạch tín hiệu IGF

Hình 6: Đồ thị lượng nhiên liệu tiêu thụ và

suất tiêu hao nhiên liệu có ích tại 20 % vị trí

bướm ga

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của

động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid

(ge2) cao hơn trong khoảng tốc độ động cơ

1500 – 3000 vòng/phút, nói cách khác ở vùng

tốc độ này động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa

Hybrid có hiệu quả thấp hơn hệ thống đánh

lửa nguyên thủy (ge1).

Hình 4: Tín hiệu IGF trên máy đo sóng

Picoscope

3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

3.1 Chế độ 20% tải

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của

động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid

thấp hơn trong khoảng tốc độ động cơ 3500 –

5500 vòng/phút, vậy ở vùng tốc độ này 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.

3.2 Chế độ 35% tải

Từ kết quả thí nghiệm tại 35 % độ mở

bướm ga khi sử dụng hệ thống đánh lửa

Hybrid và nguyên thủy thì công suất và

moment có phần tương đương nhau trong

phạm vi tốc độ động cơ 1750 – 6000

vòng/phút.

Hình 5: Đồ thị công suất moment tại 20 %

vị trí bướm ga

Động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên

thủy (Pe1, Me1): công suất cực đại 16,7 kW

tại 3750 vòng/phút, moment đạt cực đại 72,4

N.m tại 1000 vòng/phút.

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của

động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid và

khi sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thủy

tương đương nhau trong khoảng tốc độ động

cơ 2500 – 5000 vòng/phút, nói cách khác ở

vùng tốc độ này động cơ sử dụng hệ thống

đánh lửa Hybrid có hiệu quả tương đương hệ

thống đánh lửa nguyên thủy.

Động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid

(Pe2, Me2): công suất cực đại 16,6 kW tại

3750 vòng/phút, moment đạt cực đại 71,5

N.m tại 1000 vòng/phút.

Hệ thống đánh lửa Hybrid công suất và

moment có phần thấp hơn khi sử dụng hệ

thống đánh lửa nguyên thủy trong phạm vi tốc

độ động cơ 1750 – 3250 vòng/phút.

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của

động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid

thấp hơn trong khoảng tốc độ động cơ 1000 –

2000 vòng/phút và 5000 – 6000 vòng/phút,

nói cách khác ở vùng tốc độ này 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.

3.3 Chế độ 50% tải

Từ kết quả thí nghiệm cho thấy tại 50 %

độ mở bướm ga khi sử dụng hệ thống đánh lửa

Hybrid công suất và moment và khi sử dụng

hệ thống đánh lửa nguyên thủy có phần tương

đương nhau trong phạm vi tốc độ động cơ

1000 – 4000 vòng/phút. Vùng tốc độ động cơ

4000 – 6000 vòng/phút công suất, moment

động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid cao

hơn so với sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên

thủy.

Hình 8: Đồ thị lượng nhiên liệu tiêu thụ và

suất tiêu hao nhiên liệu có ích tại 100 % vị

trí bướm ga

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ

sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid tương

đương với hệ thống đánh lửa nguyên thủy

trong vùng tốc độ 2000 – 3500 vòng/phút.

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của

động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid

thấp hơn trong khoảng tốc độ động cơ 1000 –

4000 vòng/phút, nói cách khác ở vùng tốc độ

này động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa

Hybrid có hiệu quả hơn hệ thống đánh lửa

nguyên thủy.

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích của động cơ

sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid (ge2) thấp

hơn trong khoảng tốc độ động cơ 4000 – 6000

vòng/phút, nói cách khác ở vùng tốc độ này

động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid có

hiệu quả hơn hệ thống đánh lửa nguyên thủy

(ge1). Mặc dù động cơ sử dụng hệ thống đánh

lửa Hybrid có lượng nhiên liệu tiêu hao có

phần tương đương hệ thống đánh lửa nguyên

thủy nhưng động cơ sinh ra công suất và

moment xoắn cao hơn.

4. KẾT LUẬN

Tác giả đề tài đã thiết kế thành công mạch

đánh lửa Hybrid trên động cơ đánh lửa trực

tiếp 4 xi-lanh sử dụng ba bô-bin điện cảm và

một bô-bin điện dung. Hệ thống đánh lửa

Hybrid có khả năng tận thu năng lượng từ ba

bô-bin 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 điện

dung.

3.4 Chế độ 100% tải

Hệ thống đánh lửa Hybrid được lắp đặt

trên động cơ thực tế 1NZ-FE của hãng Toyota.

Hệ thống đánh lửa Hybrid đảm bảo khả năng

vận hành ở tất cả các chế độ hoạt động của

động cơ nguyên thủy.

Vùng chế độ tải 20 % vị trí bướm ga, tốc

độ động cơ từ 1500 – 3000 vòng/phút hệ

thống đánh lửa Hybrid sinh ra công suất,

moment thấp hơn và suất tiêu hao nhiên liệu

có ích cao hơn so với khi sử dụng hệ thống

đánh lửa nguyên thủy. Ở vùng chế độ hoạt

động này hệ thống đánh lửa Hybrid gây nên

hiệu quả kinh tế thấp hơn so với hệ thống đánh

lửa nguyên thủy.

Hình 7: Đồ thị công suất moment tại 100 %

vị trí bướm ga

Từ kểt quạ thí nghiểm cho thạy tại 100 %

độ mờ bừờ m ga khi sừ dụng hai hể thộng

đánh lừ a Hybrid và nguyên thụy thì công

suạt và moment có phạn từờng đừờng

nhau trong phạm vi tộc độ động cờ 1000

– 6000 vòng/phút

Vùng chế độ tải 50%, 75% và 100%, tốc

độ động cơ từ 1000 – 6000 vòng/phút hệ

thống đánh lửa Hybrid vẫn đảm bảo công suất,

moment của động cơ tương đương hệ thống

đánh lửa nguyên thủy và đạt hiệu quả kinh tế

cao hơn so với hệ thống đánh lửa nguyên thủy.

đều đạt tiêu chuẩn khí thải ở mức 4 TCVN

6438:2001.

Tiết kiệm được 25 % năng lượng đánh lửa

cung cấp cho toàn bộ hệ thống đánh lửa

Tại chế độ không tải: chất lượng khí thải

khi sử dụng hệ thống đánh lửa Hybrid có phần

cao hơn so với hệ thống đánh lửa nguyên thủy,

tuy nhiên kết quả kiểm tra chất lượng khí thải

cho thấy động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa

nguyên thủy hay hệ thống đánh lửa Hybrid

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gởi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS.

Lý Vĩnh Đạt và thầy GVC.ThS. Đỗ Quốc Ấm

đã cùng nghiên cứu và thực nghiệm hệ thống

đánh lửa Hybrid.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động cơ và điều khiển động cơ, NXB Đại học Quốc gia

Tp.HCM, 2013.

[2] C. F. Kettering, "Ignition Appatus for Explosion Motors". US Patent 1,037,491, 3 9

1912.

[3] N. Tesla, "Electrical Igniter For Gas Engines". US Patent 609,250, 16 8 1898.

[4] Gerry, "Inductive-capacitive modulated ignition system". US Patent 65,891, 13 8 1979.

[5] Gerry, "Inductive-capacitive cyclic chagre-dischare ignition system". US Patent

112,714, 16 1 1980.

[6] Michael J. French and Matthew Joseph Edwards, "Hybrid Ignition Circuit For An

Internal Conbustion Engine". US Patent 507,692, 25 6 1995.

[7] Sebok, Gutten, Ostrica and Makyda, "Analysis of Distribuorless Ignition System," no.

0033-2097, p. 89, 2013.

[8] Hongju KIm, Kwonse KIm and Dooseuk Choi, "Fundamental Study of a Plasma

Generating for Gasoline Ignition Apllying AC Power," Indian Journal of Science and

Technology, vol. 8, no. 21, 2015.

[9] Dhananjay Srivastava and Avinash Kumar Agarwal, "Laser Ignition of Single Cylinder

Engine and Effects of Ignition Location," SAE International, 2013.

[10] Dr. Günther Herdin, P. E. W. DI Johann Klausner, DI Martin Weinrotter and Josef Graf,

"Laser Ignition - a New Concept to Use and Increase the Potentials of Gas Engines,"

ASME, 2005.

[11] Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Phan Nguyễn Quí Tâm và Lê Khánh Tân, “Tính toán sức

điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai,” Tạp chí giáo dục khoa học kỹ thuật, tập

32, pp. 8-12, 2015.

[12] Do Van Dung, Do Quoc Am and Nguyen Tan Ngoc, "Effects of resistance, capacitance

and self-inductance on accumulated energy in the Hybrid ignition system," ICSSE,

2017.

[13] Đỗ Quốc Ấm, Đỗ Văn Dũng, Lê Khánh Tân và Phan Nguyễn Quí Tâm, “Nghiên cứu

mô hình đánh lửa Hybrid,” Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí

lần IV.

[14] Nguyễn Tấn Ngọc, Đỗ Văn Dũng và Đỗ Quốc Ấm, “Đánh giá khả năng tích lũy năng

lượng tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai,” 2016.

[15] Lê Khánh Tân, Đỗ Văn Dũng và Đỗ Quốc Ấm, “Chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa

kết hợp điện dung và điện cảm trên xe gắn máy,” Tạp chí giáo dục khoa học kỹ thuật,

tập 27, pp. 30-37, 214.

[16] Nguyễn Văn Long Giang, “Nghiên cứu, chế tạo mạch điều khiển đánh lửa trên động cơ

theo chương trình,” Tạp chí giáo dục khoa học kỹ thuật, tập 6, pp. 24-31, 2007.

[17] Williamson and Terrence Lyle, "Ignition system requirements and their application to

the design of capacitor discharge ignition systems," pp. 23,37,40, 1971.

[18] Đỗ Quốc Ấm, Nguyễn Văn Phụng và Nguyễn Tấn Vĩ, “Ảnh hưởng của một số yếu tố

đến quá trình hoạt động của hệ thống đánh lửa trên ô tô,” 2016.

[19] PGS.TS. Phạm Minh Tuấn, Lý thuyết động cơ đốt trong, Hà nội: NXB Khoa học và kỹ

thuật, 2008.

[20] Nguyễn Tất Tiến và Nguyễn Văn Bình, Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong, Tp.HCM:

NXB Giáo Dục, 1994.

[21] John B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, US, 1988.

[22] Fred Schäfer and Richard van Basshuysen, "Reduced emissions and fuel consumption in

automobile engines," SAE International, 1995.

[23] PGS.TS. Bùi Văn Ga, Quá trình cháy trong động cơ đốt trong, Hà nội: NXB Khoa học

và kỹ thuật, 2002.

[24] PGS.TS. Trịnh Chất và TS. Lê Văn Uyển, Tính toán hệ dẫn động cơ khí tập 1, Hà Nội:

NXB Giáo dục, 2006.

[25] GmbH Bosch Robert, Electronic Automotive Hanbook, 2002.

[26] M.F. Cowlishaw, "The characterics and use of Lead-Acid Cap Lamps," Trans. British

Cave Research Association, vol. 1, no. 4, pp. 199-214, 1974.

[27] RC Charging Circuit, https://www.electronics-tutorials.ws/rc/rc_1.html

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Huỳnh Xuân Thành

Đơn vị: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng

Điện thoại: 0966623240

Email: [email protected]m

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.