Chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung và điện cảm trên xe gắn máy

Nội dung text: Chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp điện dung và điện cảm trên xe gắn máy

1. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA KẾT HỢP ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN CẢM TRÊN XE GẮN MÁY DESIGNING AND PROTOTYPING A COMBINED IGNITION SYSTEM WHICH IS APPLIED IN MOTOBIKE PGS.TS Đỗ Văn Dũng – KS Lê Khánh Tân – ThS Đỗ Quốc Ấm Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Tóm tắt Trên động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, hỗn hợp được hình thành bên ngoài động cơ và được đốt cháy bằng tia lửa điện của bu-gi. Dựa vào cách tích lũy năng lượng, hệ thống đánh lửa trên ô tô được chia làm hai loại: Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI) và hệ thống đánh lửa điện cảm (TI). Tuy có sự khác biệt về cách thức tích lũy năng lượng, hai hệ thống đánh lửa trên đều giống nhau về cách tạo ra điện thế cao áp. Các công trình nghiên cứu từ trước đến nay đã cố gắng giải quyết các nhược điểm của từng loại hệ thống đánh lửa theo các cách khác nhau, nhưng hầu hết đếu cải tiến trên một loại hệ thống đánh lửa duy nhất. Đề tài này nghiên cứu và thiết kế một hệ thống đánh lửa bao gồm hai kiểu đánh lửa riêng biệt cho động cơ với một bộ điều khiển được lập trình sẵn, ở vùng làm việc nào mà kiểu đánh lửa điện cảm phát huy ưu điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động, và tương tự ở vùng nào mà kiểu đánh lửa điện dung phát huy ưu điểm thì ta điều khiển cho nó hoạt động. Từ khoá : hệ thống đánh lửa điện dung, hệ thống đánh lửa điện cảm, năng lượng đánh lửa, hệ thống đánh lửa kết hợp. Abstract In spark ignition engine (SI engine), the mixture of air and fuel is usually formed outside the engine. Based on the way of energy-accumulation, the ignition systems on SI engine are divided into two types: capacitor discharge ignition system (CDI) and transistorized ignition system (TI). Although the two types of ignition system are differentiated basing on the way of energy-accumulation, they have given out the same ways of producing high-voltage pulse. The studies so far have tried to solve the drawbacks of each type of ignition system in different ways, but most of the improvements have only sorted out on a single type of ignition system. This paper will research and design a combined ignition system which consists of two distinct types of ignition system above with an available programmable controller. In what range of engine opperation that the advantage of transistorized ignition system far outweight the advantage of capacitor discharge ignition system, we will trigger it to work and vice versa. Key words: capacitor discharge ignition system, transisrorized ignition system, ignition energy, combined ignition system. 1. Giới thiệu. cách khe hở bugi, phần còn lại sẽ được sử dụng để Cho đến nay, trên những động cơ đốt cháy duy trì tia lửa. Tuy nhiên sự tăng trưởng dòng điện cưỡng bức vẫn chỉ có hai kiểu đánh lửa được sử trên cuộn sơ cấp diễn ra tương đối chậm. Vì vậy, dụng phổ biến nhất là hệ thống đánh lửa điện dung khi động cơ quay ở tốc độ cao, sẽ có nguy cơ dòng và hệ thống đánh lửa điện cảm. điện tăng trưởng chưa đến được giá trị cần thiết thì Lợi thế quan trọng nhất của hệ thống đánh lửa đã bị ngắt, dẫn đến năng lượng đánh lửa không cao. điện cảm là thời gian tồn tại tia lửa điện khá dài[1]. Trong khi đó, ở tốc độ thấp, dòng điện tồn tại khá Điều này có được là vì lúc ban đầu, năng lượng lâu nên sẽ làm nóng cuộn sơ cấp và tiêu hao nhiều đánh lửa chỉ cần cung cấp đủ để vượt qua khoảng năng lượng. 1
2. Với lợi thế điện áp thứ cấp tạo ra cao[1], tia lửa điện dung có thể dễ dàng bén cháy lượng hoà khí trong buồng đốt động cơ bị dư thừa dầu bôi trơn, hỗn hợp hoà khí quá giàu hoặc nhiệt độ buồng đốt còn thấp. Một ưu điểm quan trọng nữa là thời gian Hình 2: Tín hiệu phát ra của cảm biến vị trí trục nạp xả của tụ điện rất ngắn, do đó nó vẫn đảm bảo khuỷu. được năng lượng đầu ra đủ cao khi động cơ hoạt động ở số vòng quay lớn[3]. Điều này đặt biệt có lợi 2.2 Khảo sát xung điện áp nạp tụ khi dùng cho động cơ cao tốc. Tuy nhiên, vì sự Khảo sát điện áp nạp tụ trực tiếp từ dạng sóng phóng điện diễn ra quá nhanh, năng lượng trên tụ của điện áp phóng qua cuộn sơ cấp bobin. Giá trị sẽ nhanh chóng cạn kiệt, thời gian tồn tại tia lửa điện áp tại đỉnh xung cao nhất đầu tiên chính là giá điện sẽ ngắn. Do đó, nó sẽ khó lòng đốt cháy hoàn trị điện áp tụ nạp được trước khi phóng qua cuộn sơ toàn lượng hoà khí trong một số trường hợp đặc cấp bobin[3]. biệt của động cơ. Ví dụ: hoà khí nghèo[2]. Ưu nhược điểm của một kiểu đánh lửa bất kỳ sẽ chỉ ảnh hưởng xấu đến một số miền làm việc nào đó của động cơ. Hơn thế nữa, đối với hai loại hệ thống đánh lửa điện cảm và điện dung thì ưu điểm Hình 3 : Xung điện cao áp đo tụ phóng qua cuộn sơ của hệ thống này lại gần như là nhựơc điểm của hệ cấp bobin. thống kia và ngược lại. Do đó, việc nghiên cứu một hệ thống đánh lửa kết hợp có thể tận dụng được ưu Ta có thể vẽ được đồ thị thể hiện sự thay đổi của điểm của cả hai kiểu đánh lửa trên là hết sức quan điện áp nạp tụ như sau: trọng. Nội dung nghiên cứu : Chế tạo thử nghiệm hệ thống đánh lửa kết hợp trên động cơ Honda Wave RS. 2. Nội dung 2.1 Khảo sát mâm lửa động cơ xe gắn máy Honda Wave RS Trên động cơ xe Honda Wave RS, có ba tín hiệu phát ra từ mâm lửa bao gồm: tín hiệu sạc (máy phát), tín hiệu điện áp cao để nạp tụ và tín hiệu Hình 4: Đồ thị thể hiện điện áp nạp tụ thay đổi theo 0 xung kích ở 36 BTDC. số vòng quay động cơ. Khảo sát cấu tạo bên trong IC đánh lửa của hãng Honda, tụ điện dùng để tích năng lượng có thông số là 225K400. Tụ này có giá trị điện dung là 2.2µF, điện áp là 400V. Với công thức tính năng lượng đánh lửa: CU 2 W= 2 Hình 1: Bộ bánh đà và mâm lửa xe Honda Wave RS. 2
3. Hình 7: Dạng sóng đánh lửa điện dung và cảm biến vị trí trục khuỷu. Hình 5: Đồ thị năng lượng đánh lửa điện dung thay đổi theo số vòng quay động cơ. Hình 8: Dạng sóng đánh lửa điện cảm và cảm biến vị trí trục khuỷu. 2.3 Khảo sát góc đánh lửa sớm. Hình 9: Dạng sóng của dòng điện tăng trưởng qua Trên xe gắn máy Honda Wave RS, tín hiệu này cuộn sơ cấp bobine. được thiết kế xuất hiện ở 360 trước điểm chết trên. Ta tăng thời gian ngậm đến khi dòng điện tăng Do đó, 360 chính là góc đánh lửa sớm cơ bản. trưởng qua cuộn sơ cấp đạt giá trị bão hoà. Hình 10: Dạng sóng của dòng điện tăng trưởng qua cuộn sơ cấp bobin khi đã dẫn bảo hoà. Từ số liệu đo được, ta có thời gian ngậm tối thiểu để dòng điện đạt cực đại 9.3A là: Tng Emax = 3.3ms. Để đảm bảo cho transistor công suất trong IC Hình 6: Đồ thị góc đánh lửa sớm theo tốc độ động đánh lửa điện cảm làm việc ổn định, không bị quá cơ. nhiệt, ta chọn tỉ lệ giữa thời gian ngậm tối đa và chu kỳ đánh lửa nhỏ nhất nằm trong khoảng 2.4 Khảo sát bobin đánh lửa trên xe Honda Wave RS = [3] Các thông số của bobin đánh lửa trên xe Honda Thế Tng max = Tng Emax ta có chu kỳ đánh lửa nhỏ Wave RS. nhất (Tmin) tương ứng với số vòng quay của động R1 = 0.8 Ω, R2 = 12700 Ω, L1 = 2 mH, L2 = 16.5 cơ cao nhất (ne max) mà lúc đó vẫn còn đủ thời gian H để dòng tăng trưởng qua cuộn sơ cấp đạt giá trị cực Mối quan hệ giữa tỉ số vòng quấn và hệ số tự đại là: cảm là: Tmin = = ms = √ = √ 91 [9] ne max = = = 12000 vòng/phút Dạng sóng sơ cấp của hệ thống đánh lửa điện dung: Tốc độ cực đại mà ở đó vẫn còn đảm bảo cho hệ thống đánh lửa phát ra được năng lượng tối đa là 12000 vòng/phút. 3
4. Xe Honda Wave RS đạt công suất cực đại là 5.5 3.2 Tỉ lệ hoà khí. kW tại số vòng quay 8000 vòng/phút. Ta thấy nếu Tỉ lệ hoà khí trong lòng xy lanh không phải là chuyển đổi hệ thống đánh lửa của xe máy này sang hằng số, nó sẽ thay đổi liên tục theo các chế độ tải kiểu đánh lửa điện cảm thì vẫn không ảnh hưởng của động cơ. xấu đến khả năng phát huy công suất cuả xe. Tỉ lệ hoà khí STT Các chế độ làm việc Kết luận: phù hợp Ta sẽ thiết kế một hệ thống đánh lửa kết hợp, 1 Khởi động lạnh (0oC) 1 : 1 mà ở đó ta có thể điều khiển chuyển đổi kiểu đánh 2 Khởi động (20oC) 5 : 1 Cầm chừng nhanh lửa tuỳ ý theo các chế độ làm việc của động cơ. 3 10 : 1 Việc điều khiển chuyển mạch đánh lửa và điều (hâm nóng) 4 Cầm chừng 11 : 1 khiển góc đánh lửa sớm đòi hỏi phải làm thực 5 Tải nhỏ 12-13 : 1 nghiệm rất nhiều và điều chỉnh các thông số liên 6 Tải trung bình 16-18 : 1 tục mới có thể tìm ra được điểm tối ưu. Tuy nhiên, 7 Toàn tải 12-13 : 1 ta có thể căn cứ vào lý thuyết và tham khảo các 8 Tăng tốc 8 : 1 thông số điều khiển của các động cơ khác, thiết kế 9 Giảm tốc (Cắt tốc) 0 ra một số mô hình điều khiển sơ bộ cho động cơ có thể hoạt động được. Sau đó qua thực nghiệm tiến Bảng tỉ lệ hoà khí thông thường theo các chế độ tải hành điều chỉnh các thông số để tìm được giá trị trên động cơ đốt cháy nhiên liệu cưỡng bức[2]. thích hợp. Khi hoà khí giàu (A/F 14.7), các phân tử không khí và nhiên liệu sẽ nằm cách xa nhau. Do đó, khả năng bén cháy sẽ khó hơn nên chúng cần mồi lửa lâu hơn mới cháy được. Tia lửa điện dung với đặc điểm là thời gian tồn Hình 11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa kết tại tia lửa điện ngắn nên sẽ phù hợp hơn cho các hợp lắp trên xe gắn máy Honda Wave RS. chế độ tải đó. Chế độ tải trung bình sẽ có tỉ lệ hoà khí tương đối nghèo. Với đặc điểm có xung điện áp 3. Lí luận lựa chọn thời điểm chuyển mạch thứ cấp tăng trưởng chậm và thời gian tồn tại tia đánh lửa. lửa điện dài[1], tia lửa điện cảm sẽ phù hợp hơn cho chế độ này. Theo [7], có 3 điểm mấu chốt sẽ quyết định tia 3.3 Tốc độ động cơ. lửa điện kiểu gì là phù hợp hơn cho chế độ làm việc Khi tốc độ động cơ cao, thời gian tuyệt đối cho của động cơ. một chu kỳ đánh lửa sẽ giảm xuống. Nếu ta sử 3.1 Áp suất nén trong lòng xy lanh. dụng hệ thống đánh lửa điện cảm, thời gian ngậm Nếu áp suất nén trong lòng xy lanh lớn thì đòi cũng sẽ phải giảm theo[8]. Do đó, sẽ có nguy cơ hỏi một điện áp đánh lửa cao hơn bình thường. Lúc dòng điện tăng trưởng qua cuộn sơ chưa đạt đến giá này tương ứng là động cơ đang ở chế độ tải nặng trị cần thiết thì hệ thống sẽ bị mất lửa và công suất hoặc đang tăng tốc. Với đặc tính có tốc độ tăng của động cơ sẽ giảm. Đối với hệ thống đánh lửa trưởng điện áp cao hơn so với tia lửa điện cảm, tia điện dung thì thời nạp và phóng điện của tụ rất lửa điện dung sẽ phù hợp hơn cho động cơ lúc này. nhanh nên kiểu đánh lửa điện dung sẽ phù hợp khi động cơ hoạt động ở số vòng quay cao. 4
5. 4. Thiết kế board mạch điều khiển hệ thống 4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển chuyển đánh lửa kết hợp mạch. 4.1 Sơ đồ nguyên lý. Mạch điều khiển hệ thống đánh lửa kết hợp gồm module chính như sau: Hình 13: Thuật toán điều khiển chuyển mạch đánh lửa. Hình 14: Board mạch hoàn thiện và lắp thử nghiệm trên xe. 5. Thử nghiệm hoạt động của hệ thống. 5.1 Kiểm tra dạng sóng điện áp sơ cấp khi dùng kiểu đánh lửa điện dung và điện cảm. HÌnh 15: Dạng sóng điện áp sơ cấp bobin khi dùng kiểu đánh lửa điện dung. Hình 16: Dạng sóng điện áp sơ cấp bobin khi dùng kiểu đánh lửa điện cảm. Hình 12: Các module chính của board mạch điều khiển hệ thống đánh lửa kết hợp. Dựa vào dạng sóng ta có thể xác định được thời gian tồn tại tia lửa điện là 641µs. 5
6. 5.2 Kiểm tra dạng sóng sơ cấp khi chuyển - Thông số đo khi sử dụng hệ thống đánh lửa mạch đánh lửa. truyền thống CDI: Date : 3/1/2014 Start time : 10:59:21 AM End time : 11:07:51 AM No. of driving errors : 9 Travel distance : 4102m Hình 17: Dạng sóng điện áp sơ cấp của bobin tại m1 741.5 g thời điểm chuyển mạch. m2 680.5 g Ta thấy thời điểm chuyển mạch luôn nằm sau Fuel Consumption 61 g một chu kỳ đánh lửa và không xảy ra các xung gai Bảng thông số đo khi sử dụng hệ thống đánh lửa cao áp khi chuyển mạch. nguyên thuỷ CDI. 5.3 Thực nghiệm đo lượng nhiên liệu tiêu thụ. Thực nghiệm đo lượng nhiên liêu tiêu thụ tại phòng thí nghiệm động cơ đốt trong trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh. Tại thời điểm đo, xe gắn máy Honda Wave RS sản suất năm 2005 đã đi được khoảng 67000 km. Nhiên liệu dùng để thử nghiệm là xăng A95. Hình 20: Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa vận tốc thực và vận tốc chuẩn của chu trình khi sử dụng hệ thống đánh lửa nguyên thuỷ CDI. Nhận xét: Mặc dù lượng nhiên liêu tiêu thụ đo được có phần cao hơn 0,5g nhưng quãng đường đi được Hình 18: Xe gắn máy Honda Wave RS được lắp cũng nhiều hơn (4294m so với 4102m) khi sử dụng trên băng thử tạo tải để đo lượng nhiên liệu. kiểu đánh lửa truyền thống. Từ đây, ta tính được - Thông số đo khi sử dụng hệ thống đánh lửa kết lượng nhiên liệu tiêu thụ trung bình trong 100km hợp TI-CDI: Date : 3/1/2014 tương ứng khi sử dụng hệ thống đánh lửa kết hợp Start time : 10:43:11 AM và hệ thống đánh lửa nguyên thuỷ là 1432.23g và End time : 10:51:41 AM 1487.08g. Từ đó, ta có thể kết luận rằng lượng No. of driving errors : 24 Travel distance : 4294m nhiên liệu tiêu hao khi sử dụng hệ thống đánh lửa m1 806.5 g kết hợp sẽ ít hơn 55g/100km so với khi sử dụng hệ m2 745 g thống đánh lửa truyền thống. Fuel Consumption 61.5 g Bảng thông số đo khi sử dụng hệ thống đánh lửa kết hợp TI-CDI. 5.4 Kiểm tra nồng độ khí thải. Thực nghiệm đo khí thải được thực hiện tại phòng xưởng động cơ xăng trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh. Dụng cụ đo nồng độ khí thải được sử dụng là thiết bị phân tích khí thải MEXA-324L của hãng Horiba. Thiết bị này có thể phân tích được 2 thành phần khí thải là CO và Hình 19: Đồ thị thể hiện sự tương quan giữa vận HC. tốc thực và vận tốc chuẩn của chu trình khi sử dụng hệ thống đánh lửa kết hợp TI-CDI. 6
7. Các kết quả cho thấy board mạch điều khiển làm việc ổn định và có độ chính xác cao. Đề tài đạt được một số kết quả nhất định đem lại nhiều ý nghĩa về mặt khoa học cũng như thực tiễn. Nội dung đề tài đã đưa ra một hướng nghiên cứu Hình 2: Thiết bị đo khí thải Horiba kết nối với hoàn toàn mới và có tính thực tiễn cao khi đã được đường ống thải xe gắn máy. áp dụng trên phương tiện giao thông vận tải thực. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 22: Thông số kết quả đo khí thải khi sử dụng Tiếng Việt kiểu đánh lửa TI-CDI và kiều đánh lửa nguyên thuỷ [1] PGS-TS. Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện và CDI. điện tử trên ô tô hiện đại, NXB Đại học Quốc gia Nhận xét: Tp.Hồ Chí Minh, 2004. Dựa vào kết quả đo, ta thấy nồng độ CO và HC [2] Đinh Ngọc Ân, Trang bị điện trên ô tô máy khi sử dụng kiểu đánh lửa điện cảm TI đều thấp kéo, Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên hơn so với khi sử dụng kiểu đánh lửa điện dung nghiệp Hà nội, 1980. CDI. Tiếng Anh Đối với nồng độ CO, ta thấy gần như không có [3] Shingo Morita, Takafumi Narishige, Mitsuru sự chênh lệch đáng kể khi ta thay đổi kiểu đánh Koiwa;Capacitive ignition system with inductively lửa. Tuy nhiên, đối với nồng độ HC thì khi sử dụng extended discharge time; USA Patent No 5220901, kiểu đánh lửa TI thì thấp hơn rõ rệt so với khi dùng 1993. kiểu đánh lửa CDI. Điều này có được là do thời [4] Gianni Regazzi, Funo Di Argelato, Beniamino gian tồn tại tia lửa điện cảm dài hơn so với thời Baldoni Italy; Inductive ignition system for internal gian tồn tại của tia lửa điện dung. Do đó, hoà khí combustion engine, USA Patent No US 7028676 sẽ cháy kiệt hơn và lượng HC thải ra do hòa khí B2, 2006. chưa cháy hết sẽ giảm xuống. [5] Kaushik H. Thakore; Hight energy output 6. Kết luận inductive ignition, USA Patent No : 3835350, 1974 Việc sử dụng đúng kiểu đánh lửa sẽ mang lại [6] Joseph M. Lepley, Girard; Capacitive nhiều hiệu quả cho động cơ và người sử dụng như discharge ignition system with extended duration tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường, spark, USA Patent No US 6701904 B2, 2004. Các kết quả đạt được của đề tài: Đã thiết kế thành công hệ thống đánh lửa kết Wedsite : hợp ứng dụng trên xe Honda Wave RS. [7] Đã thử nghiệm so sánh hoạt động của xe [8] trước và sau khi dùng hệ thống đánh lửa kết [9] www.cranecams.com hợp. Thông tin liên hệ tác giả chính: Họ tên: Lê Khánh Tân Đơn vị: Bộ môn Động Cơ, Khoa Cơ Khí Động Lực, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật, Tp Hồ Chí Minh. Điện thoại: 0977080605 Email: tanlk@hcmute.edu.vn; khanhtanvn88@yahoo.com 7
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 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.