Ảnh hưởng của các thông số R,L,C đến khả năng tích lũy năng lượng tự cảm trên hệ thống đánh lửa Hybrid

Nội dung text: Ảnh hưởng của các thông số R,L,C đến khả năng tích lũy năng lượng tự cảm trên hệ thống đánh lửa Hybrid

1. ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ R, L, C ĐẾN KHẢ NĂNG TÍCH LŨY NĂNG LƯỢNG TỰ CẢM TRÊN HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA HYBRID EFFECT OF RESISTANCE, CAPACITOR AND SELF-INDUCTANCE TO THE SELF-INDUCED ENERGY IN THE HYBRID IGNITION SYSTEM Do Van Dung1, Do Quoc Am1, Nguyen Tan Ngoc1 1 Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài báo xem xét sự ảnh hưởng của các thông số điện trở, điện dung và độ tự cảm đến năng lượng tích lũy trên hệ thống đánh lửa Hybrid. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm xác định sự ảnh hưởng của các thông số trên đến năng lượng tích lũy, đồng thời là căn cứ để hiệu chỉnh phương trình sức điện động tự cảm và cường độ dòng sơ cấp. Từ khóa: hệ thống đánh lửa, Hybrid, điện dung, năng lượng tự cảm. ABSTRACT This paper analyzed the effect of resistance, capacitor and self-inductance to the self-induced energy in Hybrid ignition system. Simulation and experiment results not only presented this effect on Hybrid ignition system, but also used to adjust the primary current equation and self – induced emf equation. Keywords: ignition system, Hybrid, capacitor, self – inducted energy. 1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH hệ thống và chống nhiễu cho các thiết bị điện LỬA HYBRID khác trên ô tô [3]. Trong quá trình hoạt động của hệ thống đánh lửa, cuộn sơ cấp bo-bin sinh ra sức điện động tự cảm có giá trị từ 100 V đến 300 V [1]. Sức điện động tự cảm này gây hư hỏng các thiết bị đóng ngắt, ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình tăng trưởng dòng sơ cấp và gây nhiễu đến các thiết bị điện khác trên xe [2]. Để giải quyết vấn đề này, hệ thống đánh lửa Hybrid sẽ tích lũy năng lượng tự cảm trên vào tụ điện và sử dụng năng lượng này vào lần đánh lửa sau. Như vậy, hệ thống vừa giúp tiết kiệm năng lượng đánh lửa, nâng cao chất Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa lượng của quá trình đánh lửa; vừa giúp bảo vệ Hybrid cho thiết bị đóng ngắt dòng sơ cấp khỏi các tác hại của sức điện động tự cảm trên, đồng Nguyên lý làm việc của hệ thống đánh thời nâng cao được chất lượng đánh lửa trên lửa Hybrid: 142
2. Hệ thống bao gồm hai chế độ làm việc: chế độ đánh lửa điện cảm và chế độ đánh lửa điện dung.Ờ chế độ đánh lửa điện cảm, sức điện động tự cảm sinh ra được tích trữ vào tụ. Ở chế độ đánh lửa điện dung, khi transistor T2 và SCR làm việc, dòng điện đi từ tụ điện C1 qua SCR đến cuộn sơ cấp và qua transistor T2 xuống mass làm xuất hiện điện áp cao trên cuộn thứ cấp [4]. 2. PHƯƠNG TRÌNH SỨC ĐIỆN ĐỘNG TỰ CẢM, CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN, CHU KỲ VÀ TẦN SỐ CỦA HỆ Hình 2. Kết quả thực nghiệm cường độ dòng cuộn sơ THỐNG: Hiệu chỉnh phương trình cường độ dòng sơ cấp (1), ta được đồ thị mô phỏng: 2.1 Cường độ dòng sơ cấp Bien thien dong cuon so mo phong 8 Phương trình cường độ dòng sơ cấp [4]: Cuong do dong so cap 7 푖(푡) = 푒 푡 cos( 푡) + 푒 푡sin ( 푡) (1) 6 5 2.2 Sức điện động tự cảm 4 Phương trình sức điện động tự cảm trên 3 cuộn sơ cấp khi transistor công suất ngắt [4]: 2 1 Cuong do dong so dong do cap i1(A) Cuong 푡 1(푡) = −퐿1[( + )푒 cos( 푡) + 0 ( − )푒 푡 sin( 푡)] (2) -1 -2 0 0.005 0.01 0.015 2.3 Chu kỳ và tần số của hệ Thoi gian(s) Chu kỳ dao động của hệ [5, 6]: Hình 3. Đồ thị mô phỏng 푖1(푡) = 2 2 20 푡 휏 = = (3) 0,7 푒 표푠( 푡/1,5) + 휔 2 푅 1 √1−( ) √ 푒20 푡 푠푖푛( 푡/1,5) 2√퐿1⁄ 1 퐿1 1 1 Kết quả thực nghiệm sức điện động tự cảm Tần số của hệ [5, 6]: = (4) 휏 trên cuộn sơ cấp: = − = 0 2 0 2 = = √ − 1 Với 4 và 퐿1+푅 1 [4] = − 퐿1 1 = 2 푅+ 2 √ − = { 4 { 퐿1 1 2.4 Hiệu chỉnh phương trình Tiến hành thực nghiệm xác định cường độ dòng điện sơ cấp và sức điện động tự cảm của hệ với các thông số như sau: tng = 5 (ms), U = 12,54 (V), C1 Hình 4. Kết quả thực nghiệm sức điện động tự cảm = 2 (μF), L1 = 1,25 (mH), R = 1,12 (Ω). trên cuộn sơ cấp Kết quả thực nghiệm cường độ dòng sơ cấp: Hiệu chỉnh phương trình sức điện động tự cảm (2), ta được đồ thị mô phỏng: 143
3. Suc dien dong tu cam mo phong So sanh gia tri cuong do dong so cap giua mo phong va thuc nghiem 140 8 Suc dien dong tu cam 120 7.5 100 7 80 mo phong 6.5 thuc nghiem 60 6 40 5.5 cuong do dong so dong do cuong cap i1(A) Suc dien dong Suctu camdong dien V1(V) 20 0 5 -20 4.5 0 0.005 0.01 0.015 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Thoi gian(s) thoi gian ngam(s) -3 x 10 Hình 5. Đồ thị mô phỏng 1(푡) = Hình 7. So sánh cực đại cường độ dòng sơ 푡 −퐿1[( + /1,5)푒 표푠( 푡/1,5)/3 + cấp khi mô phỏng và thực nghiệm ở các thời 0,8( − /1,5)푒 푡 푠푖푛( 푡/1,5)] − 3,5 gian ngậm khác nhau Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng của cường độ dòng sơ cấp cho thấy sai lệch không quá 10%. 2.5 Đánh giá sai lệch giữa kết quả thực nghiệm và 3. MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA R, mô phỏng của cường độ dòng sơ cấp và sức L VÀ C ĐẾN SỨC ĐIỆN ĐỘNG TỰ điện động tự cảm trên cuộn sơ cấp: CẢM VÀ CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN So sanh gia tri suc dien dong tu cam giua mo phong va thuc nghiem QUA CUỘN SƠ CẤP 140 Mô phỏng với các thông số tng = 5 (ms), 130 U = 12,54 (V), C1 = 2 (μF), L1 = 1,25 (mH), 120 R = 1,12 (Ω). 110 3.1 Ảnh hưởng của R, L, C đến sức điện mo phong thuc nghiem động tự cảm 100 suc tu camdong dien V1(V) Thay đổi cực đại sức điện động tự cảm khi thay 90 đổi R từ 0,22 Ω đến 9 Ω Thay doi cuc dai suc dien dong tu cam theo dien tro R 80 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 450 thoi gian ngam(s) -3 Suc dien dong tu cam x 10 400 Hình 6. So sánh cực đại sức điện động tự 350 cảm khi mô phỏng và thực nghiệm ở các thời 300 gian ngậm khác nhau 250 200 Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng của sức 150 điện động tự cảm cho thấy sai lệch không quá 10%. Suctu camdong dien V1(V) 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Dien tro R(Ohm) Hình 8. Thay đổi cực đại V1 khi R thay đổi Thay đổi cực đại sức điện động tự cảm khi thay đổi C từ 0,22 μF đến 9 μF 144
4. Thay doi cuc dai suc dien dong tu cam theo dien dung tu C Thay doi cuc dai cuong do dong so cap theo dien tro R 450 25 Suc dien dong tu cam Cuong do dong so cap 400 20 350 300 15 250 10 200 Cuong do dong so dong do cap i1(A) Cuong Suc dien dong Suctu camdong dien V1(V) 150 5 100 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Dien dung tu C(uF) -6 Dien tro R(Ohm) x 10 Hình 9. Thay đổi cực đại V1 khi C thay đổi Hình 11. Thay đổi cực đại i1 khi R thay đổi Thay đổi cực đại sức điện động tự cảm khi thay Thay đổi cực đại cường độ dòng sơ cấp khi thay đổi L từ 0,22 mH đến 9 mH đổi L từ 0,22 mH đến 9 mH Thay doi cuc dai suc dien dong tu cam theo do tu cam L Thay doi cuc dai cuong do dong so cap theo do tu cam L 200 8 Cuong do dong so cap 7.5 Suc dien dong tu cam 7 150 6.5 6 5.5 100 5 Cuong do dong so dong do cap i1(A) Cuong Suc dien dong Suctu camdong dien V1(V) 4.5 4 50 3.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Do tu cam L(mH) -3 Do tu cam L(mH) -3 x 10 x 10 Hình 10. Thay đổi cực đại V1 khi L thay đổi Hình 12. Thay đổi cực đại i1 khi L thay đổi Kết quả mô phỏng cho thấy cực đại sức điện Kết quả mô phỏng cho thấy cực đại động tự cảm giảm nhanh khi tăng điện trở và điện dung cường độ dòng sơ cấp giảm nhanh khi tăng tụ. Tuy nhiên, khi tăng độ tự cảm, cực đại sức điện điện trở R và khi độ tự cảm L vượt quá 1 mH. động tự cảm tăng, đạt đỉnh V1 = 192,7 V tại L = 4,7 mH. Khi vượt qua 4,7 mH, cực đại sức điện động tự Điện dung C không tham gia vào quá trình cảm giảm. tăng trưởng dòng sơ cấp. Vì vậy, cực đại cường độ dòng sơ cấp không bị ảnh hưởng 3.2 Ảnh hưởng của R, L, C đến cường độ dòng sơ cấp khi thay đổi giá trị điện dung C. Thay đổi cực đại cường độ dòng sơ cấp khi thay 3.3 Ảnh hưởng của R, L, C đến chu kỳ và đổi R từ 0,22 Ω đến 9 Ω tần số của hệ Thay đổi tần số khi thay đổi R từ 0,22 Ω đến 9 Ω 145
5. Anh huong cua dien tro den tan so V1 va i1 2124 Trên hệ thống đánh lửa Hybrid, có hai f(Hz) quá trình đánh lửa là đánh lửa điện cảm và 2122 đánh lửa điện dung. Do đó, năng lượng đánh 2120 lửa trong hai quá trình phải được cung cấp 2118 đầy đủ. 2116 Tan soTan f(Hz) Năng lượng tích lũy trên tụ được tính 2114 theo công thức [5]: 2112 1 푊 = 2 (5) 2 2110 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Dien tro R Năng lượng tích lũy phụ thuộc vào hai Hình 13. Thay đổi tần số khi R thay đổi thông số là điện áp trên tụ VC và điện dung tụ C. V phụ thuộc vào thời hằng nạp tụ [5]: Thay đổi tần số khi thay đổi C từ 0,22 μF đến 9 C μF τ = RC (6) Anh huong cua dien dung tu den tan so V1 va i1 7000 Với R = 1,12 Ω, C = 1 μF, thời gian nạp f(Hz) đầy tụ (99%Vnạp) là: t = 4RC = 4,48 μs. 6000 Thời gian nạp tụ ở hệ thống đánh lửa 5000 Hybrid bằng 1/4 thời gian hình thành một chu 4000 kỳ của sức điện động tự cảm. Tan soTan f(Hz) 3000 Hình 16 thể hiện thời gian nạp tụ mô phỏng và thời hằng nạp tụ khi điện dung tụ 2000 thay đổi 1000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 -4Anh huong cua dien dung den thoi gian hinh thanh mot chu ky V1 Dien dung tu C(uF) -6 x 10 x 10 8 Thoi gian hinh thanh mot chu ky T(s) Hình 14. Thay đổi tần số khi C thay đổi 7 Thoi gian nap day tu t(s) 6 Thay đổi tần số khi thay đổi L từ 0,22 mH đến 9 mH 5 4 Anh huong cua do tu cam L den tan so V1 va i1 Thoi Thoi gian(s) 5500 3 f(Hz) 5000 2 4500 1 4000 3500 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Dien dung tu C(uF) -6 3000 x 10 Tan soTan f(Hz) 2500 Hình 16. Thời gian hình thành một chu kỳ 2000 1500 của V1 và thời gian nạp đầy tụ khi thay đổi 1000 điện dung tụ từ 0,22 μF – 9 μF 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Do tu cam L(mH) -3 Có thể thấy thời gian nạp tụ lớn hơn x 10 nhiều so với thời hằng nạp tụ. Do đó, VC = Hình 15. Thay đổi tần số khi L thay đổi 99% Vnạp. Điều này đảm bảo tụ được nạp đầy. Kết quả mô phỏng cho thấy tần số của hệ giảm khi tăng các thông số R, L, C. Tuy nhiên, khi tăng điện Hình 17 thể hiện năng lượng tích lũy khi trở R thì tần số của hệ thay đổi không đáng kể. thay đổi điện dung tụ từ 0,22 μF đến 9 μF 3.4 Năng lượng tích lũy khi thay đổi điện dung tụ 146
6. Su thay doi nang luong tich luy theo dien dung tu 22 480 sức điện động tự cảm và thời hằng nạp tụ) và Nang luong tich luy V1 điện dung tụ C (phương trình 5). 20 360 Như vậy, khi thay đổi các thông số điện trở, điện dung và điện cảm, năng lượng đánh 18 240 lửa điện cảm và năng lượng tích lũy cho đánh lửa điện dung đều bị thay đổi. Nang luong tich luong luyNang Wc(mJ) 16 120 Suctu camdong dien V1(V) Khi thay đổi điện dung tụ, sức điện động tự cảm sẽ thay đổi, nhưng cường độ dòng sơ 14 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 cấp lại không bị ảnh hưởng. Do đó, năng Dien dung tu C(F) -6 x 10 lượng đánh lửa điện cảm không thay đổi. Do Hình 17. Thay đổi năng lượng tích lũy trên tụ thời gian nạp tụ lớn hơn thời hằng nạp tụ khi thay đổi điện dung tụ từ 0,22 μF – 9 μF nhiều lần nên tụ được nạp đầy với điện áp nạp tụ gần bằng sức điện động tự cảm cực đại. Năng lượng tích lũy trên tụ giảm khi tăng Năng lượng tích lũy giảm khi tăng điện dung điện dung tụ. Năng lượng tích lũy cao nhất là tụ. 20,7 mJ khi điện dung tụ C = 0,22 μF. Đối với các hệ thống đánh lửa thông Năng lượng đánh lửa điện cảm [1]: thường, năng lượng đánh lửa yêu cầu là 15 2 푛 퐿 mJ. Tuy nhiên để tăng thời gian duy trì tia lửa 푊đ푡 = (7) 2 trên bu-gi và tính các tổn thất trên hệ thống Công thức (7) cho thấy năng lượng cấp thì năng lượng đánh lửa vào khoảng 30 mJ ÷ cho quá trình đánh lửa điện cảm không đổi do 50 mJ [2, 7, 8, 9]. Theo mô phỏng ở hình 17, cường độ dòng sơ cấp không thay đổi khi năng lượng tích lũy trên một tụ thấp nhất là thay đổi điện dung tụ. 15,9 mJ ở tụ có điện dung C = 9 μF và cao 4. KẾT LUẬN nhất là 20,7 mJ ở tụ có điện dung C = 0,22 μF. Như vậy, năng lượng tích lũy trên một tụ Ở quá trình đánh lửa điện cảm, năng cao hơn mức tối thiểu để hệ thống đánh lửa lượng đánh lửa điện cảm phụ thuộc vào hai hoạt động. Khi sử dụng hệ thống Hybrid trên thông số là cường độ dòng sơ cấp và độ tự động cơ bốn xy lanh, có ít nhất ba tụ được sử cảm (phương trình 7). dụng nên năng lượng tích lũy sẽ lên đến ít Ở quá trình đánh lửa điện dung, năng nhất là 45 mJ, vượt nhiều lần mức năng lượng lượng đánh lửa phụ thuộc vào hai thông số là tối thiểu cần thiết để đánh lửa. điện áp trên tụ VC (vốn phụ thuộc vào cực đại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động cơ và điều khiển động cơ, pp.122-137, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2013. [2] Robert Bosch GmBh, Automotive Electric/Electronic System, Dipl.Ing (FH) Horst Bauer, 1995. [3] ThS Đỗ Quốc Ấm, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, KS Lê Khánh Tân, Nghiên cứu mô hình đánh lửa Hybrid , Hội nghị Khoa học và Công nghệ toàn quốc về Cơ khí lần thứ IV, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 2015. [4] ThS Đỗ Quốc Ấm, PGS.TS Đỗ Văn Dũng, ThS Phan Nguyễn Quí Tâm, KS Lê Khánh Tân, Tính toán sức điện động tự cảm trên hệ thống đánh lửa lai, tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, số 32, 2015. 147
7. [5] Sen-Ben Liao, Peter Dourmashkin, John Belcher, Introduction to Electricity and Magnetism: MIT 8.02 Course Notes, 2011. [6] Singiresu S.Rao, Mechanical Vibrations (Fifth Edition), Prentice Hall, 2010. [7] John B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company, 1998. [8] Konrad Reif Ed, Gasoline Engine Management, Springer Vieweg, 2015. [9] Terrence Lyle Williamson, Ignition system requirements and their application to the design of capacitor discharge ignition system, Naval postgraduate school Monterey, California, 1971. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Tấn Ngọc Đơn vị: Học viên cao học Điện thoại: 0909140406 Email: tanngoc46@yahoo.com.vn 148
8. 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 tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ 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 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.