Nghiên cứu về hệ thống đánh lửa plasma

Các xung hiệu điện thế cao này sẽ được phân bố đến các buji của các xylanh đúng thời điểm để tạo tia lửa điện cao thế đốt cháy hòa khí.. Tuy nhiên ngày nay, với sự phát triển của công

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO

CHỦ ĐỀ 08 STUDY ON TRANSIENT PLASMA IGNITION

Khóa : 2020 - 2024

Ngành : CNKT Ô TÔ - CLC TV

Mã lớp học : AEES330233_07CLC

GVHD : PGS TS ĐỖ VĂN DŨNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO

CHỦ ĐỀ 08 STUDY ON TRANSIENT PLASMA IGNITION

Khóa : 2020 - 2024

Ngành : CNKT Ô TÔ - CLC TV

Mã lớp học : AEES330233_07CLC

GVHD : PGS TS ĐỖ VĂN DŨNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2022

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- ***

-Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 09 năm 2022

NHIỆM VỤ BÁO CÁO

Họ và tên sinh viên: MSSV:

1 Lê Thanh Tịnh 20145633

2 Nguyễn Tất Thành 20145615

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô tô Lớp: 20145CL6

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng

Ngày nhận đề tài: 08/09/2022 Ngày nộp: 22/09/2022

1 Tên đề tài: STUDY ON TRANSIENT PLASMA IGNITION

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tài:

4 Sản phẩm:

TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Lê Thanh Tịnh MSSV: 20145633

Nguyễn Tất Thành MSSV: 20145615 Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Tên đề tài: STUDY ON TRANSIENT PLASMA IGNITION

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Đỗ Văn Dũng

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm: (Bằng chữ )

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên: Lê Thanh Tịnh MSSV: 20145633

Nguyễn Tất Thành MSSV: 20145615

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô tô

Tên đề tài: STUDY ON TRANSIENT PLASMA IGNITION

Họ và tên giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho báo cáo hay không?

5 Đánh giá phân loại:

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… Năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Với sự giúp đỡ của nhà trường, khoa Đào tạo chất lượng cao và nhờ sự hướng dẫn thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng nhóm em đã hoàn thành được đề tài báo cáo về: “STUDY ON TRANSIENT PLASMA IGNITION”

Để hoàn thành báo cáo này, nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy

Cô khoa Cơ Khí Động Lực đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm chúng em hoàn thành báo cáo

Xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Đỗ Văn Dũng đã giúp đỡ, định hướng

nghiên cứu cho nhóm chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Nhóm chúng

em không biết nói gì hơn ngoài bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình, thầy cô, anh chị và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ nhóm trong thời gian thực hiện bài báo cáo

Xin chân thành cảm ơn Thầy phản biện đã dành thời gian và công sức để đọc và đóng góp ý kiến quý báu giúp nhóm chúng em hoàn thiện nội dung báo cáo

Xin kính chúc quý thầy cô mạnh khoẻ, hạnh phúc và thành công trong sự nghiệp trồng người vinh quang

Xin trân trọng cám ơn !

Tp Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 08 năm 2022

Nhóm sinh viên thực hiện

Nhóm 05

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

1.4 Phương pháp 1

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Khái niệm 2

2.2 Ưu điểm của hệ thống đánh lửa plasma 3

2.3 Phương pháp đánh lửa plasma 4

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 9

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Hệ thống đánh lửa plasma và hệ thống đánh lửa tia lửa điện 3 Hình 2.3.2.1 Low-Temp Plasma Ignition 6 Hình 2.3.2.2 So sánh hệ thống tuần hoàn khí thải giữa TPS và Spark Ignition 7 Hình 2.3.3.1 Hệ thống Ionfire Plasma Ignition 8 Hình 2.2.3.2 Sơ đồ lắp đặt dây hệ thống Ionfire Ignition 8

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu đề tài

Hệ thống đánh lửa có nhiệm vụ biến nguồn điện một chiều có hiệu điện thế thấp (12V hoặc 24V) thành các xung hiệu điện thế cao (từ 12.000V đến 50.000V) Các xung hiệu điện thế cao này sẽ được phân bố đến các buji của các xylanh đúng thời điểm để tạo tia lửa điện cao thế đốt cháy hòa khí Tuy nhiên ngày nay, với sự phát triển của công nghệ đã thúc đẩy ngành ô tô phát triển nhanh chóng, cùng với đó các hãng đã đua nhau cải tiến các hệ thống trong ô tô, trong đó có hệ thống đánh lửa plasma

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu về hệ thống đánh lửa plasma

Mục tiêu: là nguồn tài liệu học tập và tra cứu quý giá góp phần cho quá trình học tập của sinh viên ngành ô tô

1.3 Nội dung nghiên cứu

Trình bày cơ bản được khái niệm, ưu điểm, các phương pháp đánh lửa plasma

1.4 Phương pháp

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài nhóm chúng em có sử dụng một

số phương pháp nghiên cứu sau:

Tra cứu trong các tài liệu, giáo trình kỹ thuật, sách vở,…

Tìm kiếm thông tin trên mạng Internet, các website trong và ngoài nước So sánh và chắt lọc để sử dụng những thông tin cần thiết và đáng tin cậy

Tổng hợp và phân tích các nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra những đánh giá và nhận xét của riêng mình

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm

Bên cạnh 3 trạng thái của vật chất là rắn, lỏng, khí thì vẫn còn tồn tại một trạng thái vật chất thứ 4 là trạng thái plasma Plasma là một trạng thái vật chất trong

đó một chất khí bị ion hóa trở nên dẫn điện cao đến mức điện trường và từ trường tầm xa chi phối hoạt động của vật chất

Các nhà nghiên cứu của tập đoàn sản xuất link kiện ô tô khổng lồ Federal-Mogul đang phát triển một loại bu-gi mới phát ra những tia chớp plasma để đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt Bu-gi plasma kích thích các phân tử hòa khí ở gần phóng thích các điện tử để trở thành các ion Những ion trái dấu khi tương tác kết hợp với nhau sẽ tạo nên phản ứng cháy

Federal-Mogul cho biết, công ty đã có những nguyên mẫu bu-gi plasma và hiện đã có 10 công ty sản xuất ô tô đang dùng thử thiết bị tạo ra dòng điện cao tầng cường độ mạnh có tên Advanced Corona Ignition System (ACIS) để kích hoạt

bu-gi plasma

Bu-gi tia lửa điện (còn được gọi là bu-gi hồ quang điện) hiện đang sử dụng rộng rãi ở động cơ xăng đã ra đời từ cách đây 100 năm Bu-gi tia lửa điện tạo ra 1 tia hồ quang giữa 2 điện cực và tia hồ quang chỉ dài khoảng 1 mm Trong khi đó

bu-gi plasma tạo ra được nhiều tia plasma với chiều dài mỗi tia 25 mm bu-giúp đốt cháy trọn vẹn hòa khí với tốc độ nhanh hơn

Hình 2.1: Hệ thống đánh lửa plasma và hệ thống đánh lửa tia lửa điện

2.2 Ưu điểm của hệ thống đánh lửa plasma

Bu-gi thuyền thống tạo ra mồi lửa bằng cách phóng dòng điện cao áp qua hai điện cực Quá trình cháy lan dần ra từ vị trí phóng điện ra bên ngoài Áp suất khí tăng dần theo tốc độ cháy, đẩy pít-tông đi xuống trong kỳ cháy giãn nở ACIS tạo ra một nguồn châm cháy rộng dưới dạng plasma khí (một dạng tồn tại của vật chất, ở

đó nguyên tử, phân tử mất đi hầu hết các electron)

Quá trình ion hóa kích thích hỗn hợp hòa khí trong buồng đốt khiến chúng bắt lửa và tốc độ cháy lan rộng nhanh chóng Nhiệt độ của plasma cực cao, cho dù hỗn hợp nghèo nhiên liệu cũng có thể cháy được dễ dàng tạo ra hiệu suất nhiên liệu cao, động cơ cháy sạch hơn

Theo Federal-Mogul những ưu điểm của ACIS là:

Giảm tiêu hao nhiên liệu 10%

Ở những xe sử dụng khí thoát bổ sung vào không khí được hút vào

thải CO2 và NO2, ACIS có thể giúp tăng tỷ lệ khí thoát (EGR) trong hòa khí từ 25% lên 35%

Tăng chỉ số λ từ 1.5 lên 1.8

Plasma tồn tại trong thời gian ngắn nhưng mạnh Trong khi bu-gi truyền thống cần đến 2 hoặc 3 mi-li giây để châm cháy thì plasma chỉ cần 100 – 200 mi-crô giây

Rút ngắn góc đánh lửa sớm hơn hay chậm hơn 5 độ

Với tính chất phóng nhanh và đốt nhanh của tia plasma, ACIS cho phép phát huy tối đa hiệu quả của hệ thống đánh lửa tối ưu (Ignition Optimization System)

Ngoài việc lắp ráp bộ cung cấp điện cao tần cường độ mạnh thay cho

bô bin hiện thời và thay đổi đường kính vị trí gắn bu-gi 14 mm hiện thời thành

12 mm, cấu trúc động cơ xăng hiện tại hoàn toàn phù hợp để sử dụng bu-gi plasma

2.3 Phương pháp đánh lửa plasma

Phương pháp thay đổi cách đánh lửa truyền thống thay vì sử dụng bu-gi đánh lửa, sẽ sử dụng 1 thiết bị (module, không dùng bu-gi) để tạo ra 1 chùm tia plasma có nhiệt độ cao hoặc vẫn sử dụng bu-gi nhưng đổi tụ hoặc sử dụng hệ thống đánh lửa Ionfire

Để có thể điều chỉnh ngọn lửa ấy và hạn chế tình trạng lượng nhiên liệu cháy không sạch, người ta dùng phương pháp Plasma Ignition nhằm làm cho ngọn lửa tăng lên gấp bội lần

2.3.1 Bugi điều chỉnh tụ

Hệ thống đánh lửa tiêu chuẩn có thể đạt hiệu suất thấp tới 0,01% trong việc chuyển đổi công suất thành tia lửa điện tại khoảng trống, sử dụng hầu hết các động

cơ chạy bằng xăng trên thế giới Tuy nhiên, với việc sử dụng tụ điện trong việc

chuyển đổi công suất đánh lửa tiêu chuẩn thành tia lửa điện, hiệu quả đã được nâng lên đến 50%

Ở cách Bugi điều chỉnh tụ xuất hiện nhiều chùm tia lửa điện (tia plasma) tăng lên rất cao Việc điều chỉnh ngọn lửa này có giới hạn bởi vì nếu lạm dụng sẽ làm cho chân bu-gi nóng chảy Một phần vật liệu thiết kế bugi không thể chịu được đến nhiệt độ đó Vì thế, cách làm này có thể gây cháy xupap, cháy miệng piston Cách làm này người ta mắc nối tiếp 3 tụ 220pf/15kV Nếu muốn tăng lửa hơn nữa,

ta cần mắc song song 3-4 dàn tụ trên Khi mắc đến chuỗi thứ 4, bugi bị chảy và hư hỏng

2.3.2 Low-Temp Plasma Ignition

Đó là sử dụng cáp kết nối TPS nối với Ignition Module (Plasma Plugs) Tất

cả sẽ được điều chỉnh bởi 1 hộp đen TPS Power Supply dành riêng cho hệ thống đánh lửa, việc điều chỉnh được quyết định bởi hộp ECU của động cơ Phương pháp đánh lửa này không làm nhiệt độ buồng đốt tăng cao, nhiệt độ bốc cháy chỉ ở mức dưới 600 độ C, nhưng bù lại sự lan truyền ngọn lửa nhanh hơn nhiều lần so với bugi truyền thống Do đó, lượng hoà khí bên trong xy lanh được đốt cháy triệt để hơn Khí NOx sinh ra sẽ ít hơn và hình thành muội than gần như không đáng kể Phương pháp này được biết đến như cách làm phá vỡ cấu trúc và thu nhỏ hạt NOx giống như

O2 Từ đó, nhiệt toả ra ít hơn, hiệu suất nhiệt phanh được cải thiện, giảm lượng khí thải CO và NOx, và khả năng chạy nhiều tuần hoàn khí thải

Tuy nhiên, hệ thống mới chỉ được thử nghiệm bởi phòng thí nghiệm quốc gia Argonne trong động cơ Cummins I6 Mặc dù hệ thống đánh lửa TPS có thể đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí có tỷ lệ 25: 1, nhưng lượng không khí dư thừa đó vẫn làm phức tạp việc kiểm soát khí thải Vì vậy để có thể sử dụng phương pháp này bắt buộc phải pha loãng hỗn hợp hoà khí có nhiều khí trơ dư thừa

Hình 2.3.2.1: Low-Temp Plasma Ignition

Cách làm này không gây mất mát nhiều công suất động cơ Bộ đánh lửa Plasma TPS cũng có thể tăng sức mạnh Quá trình đốt cháy nhanh hơn cho phép giảm lượng tia lửa trước Do đó, quá trình đốt cháy xảy ra ít hơn trong khi piston vẫn di chuyển lên trong xi lanh, để lại nhiều áp suất kỳ nổ nhiều hơn Hệ thống này

sẽ thay thế cuộn dây và bu-gi đánh lửa, có thể tiết kiệm nhiên liệu từ 10 đến 15% Tuy nhiên, vẫn còn rất nhiều công việc phát triển trong tương lai về hệ thống này và

độ tin cậy vẫn chưa được xác thực chính thống Các plasma Plugs này không thể chịu được lõi điện trở, do đó sẽ cần phải có lớp cách điện khác để ngăn nhiễu sóng

vô tuyến (điều mà ở bu-gi đã có lớp gốm sứ cách điện)

Hình 2.3.2.2: So sánh hệ thống tuần hoàn khí thải giữa TPS và Spark

Ignition

2.3.3 Ionfire Plasma Ignition

Ionfire là một bộ khuếch đại tia lửa điện áp cao DC xung, được thiết kế để hoạt động với bất kỳ hệ thống đánh lửa ô tô hiện nay

Tia lửa điện đánh lửa thông thường là một tia plasma mỏng được tạo thành

từ các phân tử không khí bị ion hóa chạy vòng quanh các điện cực của bu-gi Thông thường, tia lửa điện cao thế này có dòng điện cực đại khoảng 200 miliampe Hệ thống Ionfire bao gồm một module điều khiển năng lượng tạo ra một xung dòng điện cao khoảng 135 ampe qua khe hở tia lửa mỗi khi tia lửa điện áp cao đi đến qua các bugi

Do đó, nó sẽ khuếch đại năng lượng của tia lửa ban đầu từ 12 đến 25 watt thành tia lửa khuếch đại dòng điện xung plasma có công suất cực đại qua khe hở tia lửa điện

làm tăng mã lực và công suất, thích hợp cho các xe đua, xe cơ bắp hay xe sử dụng nhiên liệu CNG Điểm khác biệt của Ionfire Plasma là ở số vòng quay động cơ càng cao, chất lượng chùm tia lửa càng cao và tia lửa càng nhiều Số vòng quay động cơ tối thiểu để có thể hiệu quả ở phương pháp đánh lửa này là 3000 RPM trở lên

Hình 2.3.3.1: Hệ thống Ionfire Plasma Ignition

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN

Hệ thống đánh lửa Plasma đem lại nhiều ưu điểm vệ mặt tiết kiệm nhiên liệu, tốc độ đánh lửa nhưng hệ thống này vẫn chưa được sử dụng rộng rãi bởi khả năng đốt sạch của nó, dẫn đến sự ngưng tụ carbon và muội than ít hơn so với hệ thống đánh lửa bằng tia lửa điện Hầu hết các hãng xe đều kiếm lợi nhuận bằng các bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế những vấn đề do muội than gây ra bên cạnh việc bán xe Hệ thống Plasma này không phải không phổ biến, nó đã từng xuất hiện ở cuối những năm

1970 và được nhiều dòng xe độ công suất cao sử dụng Tuy nhiên, với xe hiện đại ngày này, phương pháp này không còn hiệu quả và phổ biến nữa.