Nghiên cứu mô phỏng hệ thống đánh lửa laser trên động cơ xăng

Từ kết quả mô phỏng đề tài đề xuất ứng dụng hệ thống đánh lửa laser với các thông số tối ưu, qua đó nâng cao được hiệu suất động cơ và cải tiến khí xả gây ô nhiễm môi trường trên động cơ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

LASER TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

SKC 0 0 6 7 6 3

MÃ SỐ: T2019-24TĐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

LASER TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

Mã số: T2019-24TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA

LASER TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG

Mã số: T2019-24TĐ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

TP HCM, Tháng 04 năm 2020

MỤC LỤC

Danh sách thành viên tham gia và đơn vị phối hợp thực hiện i

Mục lục ii

Danh sách các bảng iv

Danh sách các hình v

Danh mục các chữ viết tắt vi

Thông tin kết quả nghiên cứu viii

Chương 1……… 1

1.1Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.2.1Nghiên cứu trong nước 3

1.2.2Nghiên cứu ngoài nước .3

1.3Mục tiêu đề tài .6

1.4Giới hạn của đề tài 7

1.5Đối tượng nghiên cứu .7

1.6 Phương pháp nghiên cứu 7

1.7Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7

Chương 2 ……….9

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Laser và đặc tính của nó……… …….…… ………….……….….… 9

2.1.1Khái niệm laser.…….… ………… …… ……… ……… … 9

2.1.2Cách tạo hiệu ứng laser…… ……… ……… ………… ………11

2.2Năng lượng tia laser……… ……… … …… 13

2.3Động lực học laser……… ………15

2.4Đặc tính laser………….……… ……… ….…17

2.5Các loại hệ thống đánh lửa laser……… ……….… …….21

2.6Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống đánh lửa laser ………… ……… …… 22

2.7Cơ sở về mô phỏng CFD của hệ thống đánh lửa laser……… ……… 23

Chương 3……….……….32

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG……… 32

3.1 Khái quát về mô hình hóa và mô phỏng ……… ……… 32

3.2 Xây dựng mô hình hóa hệ thống đánh lửa laser bằng Matlab/Simulink…… 35

3.2.1 Thông số tổng quát đầu vào của hệ thống đánh lửa laser ………… 35

3.2.2 Mô hình hóa đường ống nạp…… ……… 38

3.2.3 Mô hình hóa Quá trình cháy……… ……….43

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN……… ….47

4.1 Khối lượng không khí nạp vào trong xy lanh động cơ……… ……47

4.2 Năng lượng đánh lửa khi dùng hệ thống đánh lửa laser và hệ thống đánh lửa 49

4.3 Khối lượng khí cháy trong buồng đốt……… ….55

4.4 Công suất của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa laser và hệ thống đánh lửa cưỡng bức 57

4.5 Mô men của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa laser và hệ thống đánh lửa cưỡng bức……… ….60

4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa laser và hệ thống đánh lửa cưỡng bức……… 61

Chương 5……….….65

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT……… 65

5.1 Kết luận……… ….65

5.2 Đề xuất……….……….……….…….65

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….… ……… ….67

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Bức xạ của ánh sáng đơn sắc (laser)……… 11

Hình 2.2: Sơ đồ tạo tia laser……….12

Hình 2.3: Năng lượng laser……… 13

Hình 2.4: Tần số sóng tới và tần số plasma……….16

Hình 2.5: Các thông số cơ bản……….17

Hình 2.6: Thông số cơ bản của hệ thống đánh lửa laser……… 18

Hình 2.7: Quá trình nạp ảnh hưởng tới quá trình cháy……… 30

Hình 3.1: Chỉ số xoáy lốc dọc và ngang trong xy lanh ……….34

Hình 3.2: Mô hình tổng quát của hệ thống đánh lửa laser……… 35

Hình 3.3: Mô hình tổng quan về mô hình hóa tại đường ống nạp……….… 38

Hình 3.4: Nhập phương trình chủ đạo về cách tính diện tích thân bướm ga…… 40

Hình 3.5: Một khối Subsystem để tính toán diện tích cánh bướm ga………… …40

Hình 3.6: Một khối Subsystem trong mô hình hóa đường ống nạp……… 41

Hình 3.7: Các thông số đầu vào để tính toán khối lượng không khí………42

Hình 3.8: Khối lượng không khí đi vào trong xy lanh……… … 43

Hình 3.9: Mô hình hóa khối lượng không khí đi qua cánh bướm ga……… 43

Hình 3.10: Khối Quá trình cháy được xây dựng trên nhiều Subsystem………… 44

Hình 3.11: Thông số đầu vào và đầu ra của Quá trình cháy………44

Hình 3.12: Mô hình hóa của nhiệt lượng tỏa ra……… 45

Hình 3.13: Mô hình với nhiệt lượng truyền đi trong Quá trình cháy……… 45

Hình 3.14: Tổng quan các khối để tính toán áp suất trong xy lanh động cơ………46

Hình 4.1: Khối lượng không khí nạp vào trong xy lanh ứng với hai loại hệ thống đánh lửa khác nhau ……… 48

Hình 4.2: Năng lượng đánh lửa của hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS)…………53

Hình 4.3: Năng lượng đánh lửa của động cơ dùng hệ thống đánh lửa laser (LIS) 54

Hình 4.4: Khối lượng khí cháy (MFB) khi dùng LIS và SIS……… 56

Hình 4.5: Công suất của động cơ khi dùng LIS và SIS……… 57

Hình 4.6: Mô men của động cơ khi dùng LIS và SIS……….60

Hình 4.7: Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ dùng LIS và SIS………63

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số hệ thống đánh lửa xe Honda Future 125 cc……….32

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật xe Honda Future 125 cc……….32

Bảng 3.3: Thông số kết cấu xe máy Honda Future FI 125cc……… …33 Bảng 3.4: Các thông số đầu vào của mô hình hóa hệ thống đánh lửa laser……….36

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ANSYS: Analys system – Phân tích hệ thống

AQI: Air Quality Index – Chỉ số chất lượng không khí

CA: Crankshaft Angle – Góc quay trục khuỷu

CATIA V5: Computer Aided Three Dimensional Interactive Application – Xử lý tương tác trong không gian ba chiều có sự hỗ trợ của máy tính

CAE: Computer – Aided Engineering – Kỹ thuật có sự hỗ trợ máy tính

ECU: Electronic Control Unit – Hộp điều khiển động cơ bằng điện tử

EGR: Exhaust Gas Recirculation – Hệ thống luân hồi khí xả

EOS: Equation Of State – Phương trình trạng thái

EVC: Exhaust Valve Close – Thời điểm xú–pap thải đóng

EVO: Exhaust Valve Open – Thời điểm xú–pap thải mở

FEA: Finite Element Analysis – Phân tích phần tử hữu hạn

FSD: Flame Surface Density – Mật độ bề mặt ngọn lửa

GDI: Gasoline Direct Injection – Phun xăng trực tiếp

GUI: Graphic User Interface – Giao diện trực quan với người dùng

LIS: Laser Ignition System – Hệ thống đánh lửa laser

LI: Laser Ignition – Đánh lửa laser

ICE: Internal Combustion Engine – Động cơ đốt trong

IMEP: Indicated Mean Effective Pressure – Áp suất chỉ thị hiệu dụng trung bình IVC: Intake Valve Close – Thời điểm xú–pap nạp đóng

IVO: Intake Valve Open – Thời điểm xú–pap nạp mở

MPE: Minimum Plasma Energy – Năng lượng tia laser tối thiểu

MIE: Minimum Ignition Energy – Năng lượng đánh lửa tối thiểu

MFB: Mass Fraction Burn – Khối lượng khí cháy

PM: Particulate Matter – Chất dạng hạt

PPM: Part Per Million – Một phần triệu

SI: Sparrk Ignition – Đánh lửa cưỡng bức

SOHC: Single OverHead Camshaft – Trục cam đơn đặt trên nắp máy

SIS: Spark Ignition System – Hệ thống đánh lửa cưỡng bức

UV: Ultra Violet – Tia cực tím

WHO: World Health Organization – Tổ chức Y tế Thế giới

RON: Reasearch Octance Number – Chỉ số ốc tan xác định theo phương pháp nghiên cứu

VVT: Variable Valve Timing – Hệ thống phối khí biến thiên

VCR: Variable Compression Ratio – Hệ thống tỷ số nén biến thiên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu mô phỏng hệ thống đánh lửa laser trên động cơ xăng

- Mã số: T2019-24TĐ

- Chủ nhiệm: PGS.TS Lý Vĩnh Đạt

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 12 tháng

2 Mục tiêu:

Đề tài nghiên cứu mô hình hoá mô phỏng hệ thống đánh lửa laser ứng dụng trên động

cơ xăng thông qua các phân mềm chuyên ngành Từ kết quả mô phỏng đề tài đề xuất ứng dụng hệ thống đánh lửa laser với các thông số tối ưu, qua đó nâng cao được hiệu suất động

cơ và cải tiến khí xả gây ô nhiễm môi trường trên động cơ xăng

3.Tính mới và sáng tạo:

Ngày nay, động cơ xăng được sử dụng rộng rãi trên các phương tiện vận chuyển, đặc biệt là xe máy với công suất phát ra nhỏ Việt Nam là quốc gia sử dụng xe máy phổ biến bên cạnh phát ra khí thải gây ô nhiễm môi trường thì hiệu suất trên động cơ xăng rất thấp

Có nhiều yếu tố gây ra các nhược điểm trên, trong đó hệ ảnh hưởng thống đánh lửa quá trình cháy hoàn toàn trong động cơ, qua đó ảnh hưởng đến hiệu suất và giảm khí thải gây ô nhiễm Do đó, nghiên cứu hệ thống đánh lửa mới - đánh lửa laser - trên động cơ xăng là

hết sức cần thiết nhằm nâng cao hiệu suất và giảm khí xả gây ô nhiễm trên động cơ xăng

4 Kết quả nghiên cứu:

Đề tài đã mô hình hóa và mô phỏng, so sánh đặc tính, các thông số khác của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa Laser và hệ thống đánh lửa cưỡng bức một cách khoa học, tuy nhiên việc chọn các thông số để mô phỏng là dựa vào lý thuyết Sau khi mô phỏng các thông số yêu cầu ở đầu ra là tối ưu và phù hợp Qua đây, ta thấy các đồ thị đặc tính như: công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) là luôn tối ưu, đáp ứng với mong muốn của việc mô phỏng Cụ thể, công suất và mô men của động cơ dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) là luôn cao hơn so với hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS) Còn suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) của động cơ dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) là nhỏ hơn so với động cơ dùng hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS) Bên cạnh đó, khối lượng không khí nạp vào trong xy lanh của động cơ, năng lượng đánh lửa

của hệ thống đánh lửa Laser (LIS) là cao hơn so với hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SIS) Chứng tỏ một điều là việc chọn hệ thống đánh lửa Laser là tối ưu cho động cơ đốt trong, và

nó cũng là hệ thống đánh lửa thế hệ thứ 05 mới nhất, có tính chất ưu việt nhất

5 Thông tin chi tiết sản phẩm:

- Sản phẩm khoa học:

+ Báo cáo khoa học (ghi rõ số lượng, giá trị khoa học): 01 bài báo khoa học thuộc tạp chí khoa học giáo dục và kỹ thuật được công bố (có điểm từ 0 đến 0.5 điểm trong hội đồng xét chức danh PGS), năm 2020

+ Bài báo khoa học (ghi rõ đầy đủ tên tác giả, tên bài báo, tên tạp chí, số xuất bản, năm xuất bản):

Đỗ Tấn Thích, Lý Vĩnh Đạt, Đỗ Văn Dũng, “Nghiên cứu mô phỏng hệ thống

đánh lửa Laser nhằm nâng cao đặc tính động cơ xăng”, tạp chí Khoa học và Kỹ

thuật, năm 2020

- Sản phẩm ứng dụng (bao gồm bản vẽ, mô hình, thiết bị máy móc, phần mềm…, ghi rõ số lượng, quy cách, công suất….):01 chương trình máy tính mô phỏng hệ

thống đánh lửa laser trên động cơ xăng

6.Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Nâng cao hiệu quả học tập nghiên cứu cho học viên sinh viên chuyên ngành, góp phần vào việc ứng dụng các phương pháp nâng cao hiệu suất, cải tiến khí xả trên động cơ xăng

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Research of Laser Ignition to Enhance ICE Performance through Simulation

Code number: T2019-24TĐ

Coordinator: Assoc PhD, Ly Vinh Dat

Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education

Duration: 12 months

2 Objective(s):

Research has studied laser ignition model and simulation in gasoline engine via Matlab/Simulink software The study simulation results have proposed applying of laser ignition system that has the optimal parameters Consequently, it can improve engine efficiency and engine emissions that causes environment pollution

3 Creativeness and innovativeness:

Nowadays, SI engines, which has small power motorbike, have been used in transportation commonly Vietnam is a country that uses motorbike popularly, motorbike has some disadvantages such as pollution emissions and low engine efficiency There are many factors affect to the drawbacks, among them ignition system in engine affects on combustion process So it influence to engine performance, efficiency and emission in SI engines Study on laser ignition system is necessary and take part to reduce emission and increase engine efficiency in gasoline engines

4 Research results:

Study have conducted modeling and simulation, comparing the characteristics and other parameters of the engine when using the Laser ignition system and spark the ignition system scientifically, but choosing the parameters for simulation are theoretical In general, after the simulation, the required parameters

at the output are optimal and appropriate Through this, we see the characteristic graphs such as power, torque, fuel consumption of the engine using Laser ignition system (LIS) is always optimal, meeting the wishes of the simulation Specifically, the power and torque of the engine using the Laser ignition system (LIS) is always higher than the forced spark ignition system (SIS) And the Specific fuel consumption (sfc) of the engine using the Laser ignition system (LIS) is smaller than the engine using the spark ignition system (SIS) Besides, the amount of air

intake into the engine cylinder using the Laser ignition system (LIS) is higher than that of the spark ignition system (SIS), spark energy to ignite the gas and the amount of MFB in the engine using Laser ignition system (LIS) is also higher than that of the engine using a spark ignition system It proves that the choice of the Laser ignition system is optimal for the internal combustion engine, and it is also

the fifth, latest, most advanced ignition system

5 Products:

- 01 published paper in Journal of Technical Education Science, HCMUTE , 2020

- Đỗ Tấn Thích, Lý Vĩnh Đạt, Đỗ Văn Dũng, “Study on laser ignition system for

improving of engine performance in SI engines”, Journal of Technical Education Science,

2020

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

The study takes part in decreasing fuel consumption and increasing engine

performance in motorbike engine by using the laser ignition system

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc ứng dụng những công nghệ mới trong hệ thống đánh lửa trên động cơ là giảm mức độ phát sinh ô nhiễm ngay từ nguồn phát thải của động cơ, nghĩa là trước khi ra khỏi xupap xả, muốn làm hạn chế điều đó trước tiên là làm sao cho hoà khí trước khi vào trong buồng đốt phải được trộn đều, nghĩa là quá trình xoáy lốc phải tốt và quá trình cháy phải triệt để, để hoà khí cháy hoàn hảo thì tia lửa điện sinh ra từ bugi phải đủ mạnh

và nhiên liệu phải cháy hoàn toàn, động cơ ít kích nổ, sinh ít khí độc hại nhất Vì vậy, các nhà thiết kế động cơ trong tương lai họ sẽ ứng dụng công nghệ hệ thống đánh lửa laser không chỉ chú trọng đơn thuần về công suất hay tính kinh tế của động

cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm

Tình hình ô nhiễm ở hai thành phố lớn ở Việt Nam như: thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội trong những năm gần đây ngày càng tăng, ô nhiễm không khí chủ yếu là do phát thải từ động cơ đốt trong Việc phát thải khí ô nhiễm từ động cơ chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn hảo, điều đó liên quan đến hệ thống đánh lửa trên ô tô

Động cơ xe máy là động cơ đánh lửa cưỡng bức do đó đối với động cơ này ba chất ô nhiễm chính cần quan tâm là: NOx, HC và CO, trong kết quả của các phản ứng hoá học những Hydrocacbon của nhiên liệu với không khí, cùng với những thành phần cơ bản của sản vật cháy khi cháy hoàn toàn: CO2, H2O và N2 thì ba chất NOx, HC và CO là thành phần gây phát thải cao nhất, thành phần và khối lượng của chúng phụ thuộc vào đặc trưng thực hiện quá trình đốt cháy hỗn hợp trong buồng đốt, phụ thuộc vào kết cấu buồng đốt, thời điểm đánh lửa, thời gian cháy và năng lượng tia lửa,… Do vậy, cần sử dụng tất cả các biện pháp hữu hiệu tác động đến quá trình hình thành hoà trộn hoà khí và quá trình cháy nhằm loại bỏ bớt thành phần độc hại trong khí thải, trong đó không thể không kể đến hướng cải tiến mới đó là cải tiến về hệ thống đánh lửa thay thế cho các hệ thống đánh lửa trước đó Như vậy, hệ thống đánh lửa laser sẽ được ứng dụng phổ biến trong tương lai vì nhiều tính chất ưu việt của nó

Việt Nam cũng là một quốc gia nằm trong quy luật phát triển của châu Á, hiện nay xe máy là phương tiện chiếm đa số trong giao thông đường bộ Bởi sự phù hợp của phương tiện này trong đi lại, lao động sản xuất của người dân Sự gia tăng

nhanh về số lượng xe máy ở nước ta bên cạnh những ưu điểm mà phương tiện này đem tới thì không ít những vấn đề lo ngại Một trong những vấn đề đó là sự ô nhiễm môi trường do một lượng khí xả lớn thải ra từ động cơ xe máy Động cơ xe máy thải

ra một lượng khí thải lớn gây ô nhiễm môi trường sống, gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính Lượng khí thải này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, khói bụi nơi thành phố lớn do số lượng xe máy lớn Một vấn đề nữa là hiện nay hiệu suất trên động cơ đốt trong là chưa cao, quá trình hòa trộn và cháy chưa hoàn thiện nên chưa tạo ra công suất tối ưu Thế giới chúng ta đang lo ngại về vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng như phương hướng tìm nguồn nhiên liệu thay thế Động cơ đốt trong hiện nay thì có hiệu suất thấp và chưa tiết kiệm nhiên liệu tối ưu vẫn còn một phần nhiên liệu cháy chưa sạch thải ra môi trường, gây tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm Trước khi tìm ra nguồn nhiên liệu mới thì vấn đề nghiên cứu cải tiến, ứng dụng công nghệ mới trên động cơ đốt trong nhằm mục đích nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu mang tính chất cấp thiết

Bên cạnh đó, việc sử dụng hệ thống đánh lửa laser ngoài mục đích đánh giá đến khí xả mà còn đánh giá tính năng quan trọng nhất của động cơ đó chính là công suất, suất tiêu hao nhiên liệu và mô men xoắn Chính ba thông số này có ảnh hưởng lớn đặc tính kỹ thuật của một động cơ khi cải tiến chúng

Hiện nay, có nhiều công trình khoa học tập trung giải quyết vấn đề trên của động cơ đốt trong Nghiên cứu mô phỏng được áp dụng nhiều trong cải tiến động cơ chủ yếu là cải tiến đường ống nạp, cải tiến đường ống xả, riêng với đề tài tác giả chọn cải tiến động cơ về hệ thống đánh lửa, như vậy đề tài tác giả chọn là một hướng đi mới, các kết quả thí nghiệm cũng như mô phỏng, lý thuyết mới chủ yếu chỉ có ở nước ngoài, còn ở Việt Nam thì dường như chưa ai nghiên cứu về ứng dụng công nghệ laser vào hệ thống đánh lửa mới để cải tiến động cơ, chỉ xuất hiện một số đề tài nghiên cứu về hệ thống đánh lửa lai Sự phát triển mạnh của các phần mềm mô phỏng góp phần rất lớn cho các kết quả nghiên cứu Mô phỏng bằng phần mềm có nhiều ưu điểm là tiết kiệm được thời gian, công sức và kinh phí cho việc cải tiến Dự đoán được trước kết quả của quá trình tính toán mô phỏng cho thực tế chế tạo Mô phỏng cũng là xu thế trong nghiên cứu thiết kế chế tạo một một động

cơ mới Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, việc ứng dụng mô phỏng hệ thống đánh lửa laser trên xe gắn máy là điều lựa chọn tối ưu, vì nếu mô phỏng cho động cơ một

xy lanh thì ta có thể mô phỏng được cho động cơ nhiều xy lanh Đây cũng là hướng nghiên cứu của các nhà khoa học và hãng sản xuất xe máy

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Nghiên cứu trong nước

Ở nước ta nhiều tác giả nghiên cứu về hệ thống đánh lửa nhằm nâng cao hiệu suất động cơ và giảm ô nhiễm môi trường Các đề tài chủ yếu liên quan đến hệ thống đánh lửa lai, hệ thống đánh lửa siêu tụ,… Các đề tài nghiên cứu cải tiến hệ thống đánh lửa mới không liên quan trực tiếp đến hệ thống đánh lửa laser Nhưng cùng quan điểm là mục đích nâng cao đặc tính của động cơ Theo tác giả tìm hiểu trên internet và các sách ở thư viện thì hiện tại việc nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt trong ở Việt Nam chưa được thấy ai nghiên cứu Tuy nhiên, ứng dụng của Laser là rất nhiều như trong lĩnh vực y học, quân sự, viễn thông, Xin được nói thêm là TS Định Nguyễn là người nghiên cứu phát minh ra hệ thống phóng Laser phá hủy tên lửa cho Hải quân Mỹ

1.2.2 Nghiên cứu nước ngoài

Liedl cùng cộng sự [1] đã thực hiện một nghiên cứu về sự đánh lửa dùng tia laser Việc ứng dụng công nghệ đánh lửa laser thì tạo tia lửa mạnh, thời gian đánh lửa rất ngắn cỡ nano giây, năng lượng đánh lửa lớn khoảng 1011 W/cm2, tốc độ lan truyền ngọn lửa nhanh và khí xả từ buồng đốt là không đáng kể, đáp ứng tiêu chuẩn khí xả Nhóm nghiên cứu đã từng bước nêu lên khái quát các hệ thống đánh lửa trước đó đã dùng trên động cơ đốt trong, từ đó nêu những nhược điểm của hệ thống đánh lửa thế hệ trước và đã đề xuất nghiên cứu hệ thống đánh lửa kiểu mới – hệ thống đánh lửa laser Nhóm nghiên cứu đưa ra công thức về việc bức xạ các hạt electron, đường kính tia laser, đưa ra giá trị ngưỡng của cháy chậm và cháy kích nổ

và đặc biệt là năng lượng tia laser, năng lượng ion hoá và năng lượng phân ly Có tiến hành mô phỏng trên phần mềm ANSYS Fluent và ứng dụng trên mô hình thực nghiệm Bài báo đã nêu lên mối quan hệ giữa áp suất và năng lượng tia laser, đưa ra mức tiêu hao nhiên liệu, tình trạng hoạt động của động cơ và khí xả (giảm 20%) giữa hệ thống đánh lửa truyền thống và hệ thống đánh lửa laser Tuy nhiên, bài báo này chưa đưa ra được đường công suất cũng như mô men của động cơ theo số vòng quay động cơ Vì đây là hai thông số cơ bản để đánh giá được hiệu suất của động cơ

và đưa ra các giải pháp để nâng cao động cơ

Dearden và Shenton [2] đã nghiên cứu quá trình đánh lửa laser, tổng quan về

hệ thống đánh lửa laser, cơ chế tạo ra tia laser Bằng phương pháp thực nghiệm, công nghệ đánh lửa laser ứng dụng trên động cơ phun xăng trực tiếp (GDI) Nghiên cứu này đã chỉ ra cách ứng dụng hệ thống đánh lửa laser (LI) có thể được sử dụng

để cải thiện việc kiểm soát động cơ để: vận hành êm hơn, giảm lượng khí thải, ổn định quá trình đốt cháy Nhóm tác giả đã tiến hành thực nghiệm và nêu lên những

ưu điểm của hệ thống đánh lửa laser, nghiên cứu thực nghiệm ứng với các chế độ khác nhau (khởi động lạnh, chạy cầm chừng, chạy khi có điều khiển EGR) và đều cho kết quả khả quan Bài báo đã đưa ra đường đặc tính áp suất theo góc quay trục khuỷu nhưng chỉ dừng lại ở một số chế độ đặc biệt chưa vẽ đồ thị hoàn chỉnh trong một chu kỳ sinh công của động cơ Nhóm nghiên cứu có đưa ra đồ thị sản phẩm cháy và thấy rằng lượng sản phẩm cháy khi ứng dụng hệ thống đánh lửa laser là cao hơn hệ thống đánh lửa truyền thống Điều đó, đồng nghĩa là sản phẩm cháy là hoàn toàn thì sinh công lớn hơn và giảm được lượng phát thải ô nhiễm ra ngoài môi trường

Peters [3] đã nghiên cứu tính đa vật lý của tia laser đối với nhiên liệu được dùng trên động cơ đốt trong Nghiên cứu này đã đưa ra đầy đủ tính phức tạp, đa vật

lý của quá trình đánh lửa laser Tác giả đi rất sâu về chuyên đề đánh lửa laser từ lý thuyết đến cơ chế hình thành Kết quả này rất hữu ích cho việc thiết kế các công nghệ đốt cháy nhiên liệu ở mọi trường hợp và cả chế độ siêu nghèo Các dữ liệu cũng rất hữu ích cho các mô phỏng CFD và mô hình hoá đơn giản của quá trình đánh lửa Nghiên cứu này đã thử nghiệm trên các loại nhiên liệu như: khí mê-tan, biogas, iso-octane và E85 Quan sát quá trình đánh lửa bằng công cụ schlieren hình ảnh và giao thoa Tác giả nghiên cứu khá sâu về các hệ thống đánh lửa trên ô tô và đặc biệt là tập trung vào hệ thống đánh lửa laser, mô phỏng, đánh giá và nhận xét về

hệ thống đánh lửa laser là có ưu điểm hơn các hệ thống đánh lửa trước đó Bài báo nói lên hệ thống đánh lửa laser là một đề xuất cho hệ thống đánh lửa thay thế thay cho hệ thống đánh lửa cưỡng bức (SI) giúp cho động cơ ổn định dưới mọi trường hợp

Mullet [4] cùng cộng sự của Khoa cơ khí Đại học Liverpool nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số laser của hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt trong Nghiên cứu này chỉ ra ưu điểm của hệ thống đánh lửa laser so với hệ thống đánh lửa truyền thống, đó là hiệu quả cháy của động cơ dùng hệ thống đánh lửa laser rất cao

và vị trí đặt tia laser là bất kỳ ở vị trí nào trong buồng đốt chứ không phải là cố định như hệ thống đánh lửa truyền thống Nghiên cứu gần đây trong việc sử dụng hệ thống đánh lửa bằng laser (LI) để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí trong động

cơ đốt trong (ICE) đã cho thấy có nhiều lợi thế tiềm năng so với hệ thống đánh lửa thông thường (SI) Bởi vì, hệ thống đánh lửa thông thường thì vị trí bugiphải đặt là

cố định, điện cực nhô ra và có hạn chế về sự dập tắt các ion từ điện cực trung tâm phóng ra điện cực bìa, do đó làm tia lửa yếu Lợi ích tiềm năng khác của LI bao gồm: giảm phát thải, ổn định hơn và tốc độ cầm chừng thấp hơn, khi so sánh với SI thông thường Bài báo này báo cáo nghiên cứu hiện tại đang được thực hiện tại Đại học Liverpool, tiến hành kiểm tra ảnh hưởng của hiệu suất đốt cháy động cơ và độ

ổn định khi các thông số laser cụ thể (chùm tia năng lượng, kích thước điểm tối thiểu và tiêu cự/số chùm tia) rất đa dạng Một laser Nd: YAG chuyển mạch Q –Switched hoạt động ở bước sóng cơ bản 1064 nm được sử dụng để đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí trong xy lanh của động cơ đốt trong 1,6 lít hút khí tự nhiên (APFI), 16 xupap Trong đó, xy lanh số 1 được dùng hệ thống đánh lửa laser (LI), 3

xy lanh còn lại dùng hệ thống đánh lửa thông thường (SI) So sánh trực tiếp giữa LI

và SI thông thường được trình bày dưới dạng các thay đổi trong hệ số biến đổi (COV) trong áp suất hiệu dụng trung bình được chỉ ra (IMEP) và phương sai ở vị trí

áp suất trong xy lanh là cực đại Bài báo đã nêu lên được là năng lượng dùng tia laser là nhỏ hơn so với năng lượng của hệ thống đánh lửa truyền thống Giá như tác giả và cộng sự nêu được mối liên hệ công suất của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa laser là tốt hơn so với hệ thống đánh lửa truyền thống thì giúp độc giả thấy được trực quan hơn về sự tăng công suất và mô men khi sử dụng hệ thống đánh lửa mới Bài báo chỉ dừng lại ở mức độ nêu lên năng lượng đánh lửa của laser

Lacaze cùng cộng sự người Pháp và người Đức [5] đã tiến hành mô phỏng hệ thống đánh lửa laser trên động cơ máy bay phản lực với mô hình LES (Large Eddy Simulation) ứng dụng công thức LES đưa ra các điều kiện ban đầu, điều kiện biên

và các thông số cần thiết để tiến hành mô phỏng Việc mô phỏng này là rất quan trọng để thiết kế buồng đốt cho động cơ phản lực Đây là một nghiên cứu mô phỏng

số được thực hiện trong phòng thí nghiệm với động cơ máy bay một kim phun, đốt cháy nhiên liệu là oxy và hydrogen Nghiên cứu này chỉ nêu lên lý thuyết chưa có kết quả mô phỏng nên chưa đánh giá được nhiều

Yasar [6] đã tiến hành mô phỏng hệ thống đánh lửa laser thông qua phương pháp mô phỏng CFD, tác giả đã đưa ra phương trình trạng thái EOS (Equation of State) và nêu lên bản chất của cơ chế hình thành Tác giả đã nêu lên được ưu điểm khi dùng hệ thống đánh lửa laser, dựa vào đặc tính và phương trình trạng thái tác giả đã nêu được mối quan hệ giữa nhiệt độ theo góc quay trục khuỷu của động cơ có đánh lửa SI và động cơ đánh lửa LI cũng như nêu lên mối quan hệ về lượng khí xả NOx theo góc quay trục khuỷu Tuy nhiên, tác giả cần nên đưa ra giá trị công suất

hoặc áp suất theo góc quay để đánh có thể đánh giá được tính năng kỹ thuật của động cơ khi ứng dụng hệ thống đánh lửa laser

Puli và Kumar [7] đã từng bước phân tích ưu, nhược điểm của hệ thống đánh lửa truyền thống từ đó tiến hành nghiên cứu hệ thống đánh lửa thay thế, không thể không kể đến hệ thống đánh lửa laser Bước đầu, nhóm nghiên cứu cũng đã khái quát hoá cụ thể về các hệ thống đánh lửa hay dùng trên động cơ đốt trong và sau đó

đi sâu vào quá trình phân loại hệ thống đánh lửa laser, nêu lên những ưu điểm, nhược điểm của hệ thống này Điều đáng nói ở đây là nhóm nghiên cứu chỉ đề cập đến các tính chất ưu việt của hệ thống laser là có lợi về mặt thiết kế (có thể đặt bất

kỳ ở đâu trong buồng đốt) và ít ô nhiễm môi trường Hạn chế của nhóm nghiên cứu

là chưa đưa ra được thông số đặc tính (công suất hoặc mô men) để đánh giá là động

cơ dùng hệ thống đánh lửa laser là tối ưu hơn động cơ dùng hệ thống đánh lửa truyền thống

Forsicha [8] cùng cộng sự của mình đã tiến hành nghiên cứu đặc tính của hệ thống đánh lửa laser với nhiên liệu khí Nhóm nghiên cứu đã khái quát tổng quan về

hệ thống đánh lửa laser, đã tiến hành trên mô hình thực nghiệm ứng với các chế độ giàu nhiên liệu và chế độ nghèo nhiên liệu, có so sánh các chế độ của quá trình cháy của loại nhiên liệu khí sinh học và khí thiên nhiên (mê tan), tác giả có đưa ra công suất của động cơ ứng với hai loại nhiên liệu này Nhóm tác giả dường như chưa so sánh hiệu quả của động cơ sử dụng nhiên liệu hoá thạch – loại động cơ mà sử dụng phổ biến hiện nay với động cơ sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên hoặc khí sinh học khi sử dụng chung hệ thống đánh lửa laser

1.3 Mục tiêu đề tài

- Xây dựng một cơ sở lý thuyết đặc tính cho động cơ nhằm tạo cơ sở dữ liệu

cho những nghiên cứu về đánh lửa laser

- Đề tài thể hiện bằng đồ thị về đặc tính của động cơ (công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu) và các thông số khác như khối lượng khí nạp, năng lượng

đánh lửa, khối lượng khí cháy, so sánh ưu điểm khi dùng hệ thống đánh lửa laser

- Đề tài đề xuất ra mô hình hoá và mô phỏng các đặc tính của động cơ Trên

cơ sở đó, đề xuất biện pháp nâng cao hiệu suất động cơ thông quá trình nghiên cứu cải tiến hệ đánh lửa Nhằm tạo tiền đề hướng nghiên cứu mới về cải tiến

đánh lửa

- Nghiên cứu sẽ so sánh được hiệu suất của động cơ khi dùng động cơ đánh lửa truyền thống và đánh lửa laser Từ đó, rút ra các ưu điểm khi dùng hệ thống

đánh lửa mới

1.4 Giới hạn của đề tài

Đề tài ứng dụng phần mềm thiết kế, mô phỏng, tính toán cho động cơ một xy lanh Mô phỏng các thông số đặc tính của động cơ điển hình là công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, mô men xoắn và các thông số của hệ thống đánh lửa Đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng đặc tính công suất từ đó cải tiến hệ thống nạp tối ưu để được một hiệu suất tốt nhất

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng các thông số trên động cơ xe máy thu thập các thông số

có được của hệ thống đánh lửa Nghiên cứu về đặc tính đánh lửa laser, nghiên cứu chủ yếu về các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ khi dùng hệ thống đánh lửa laser Từ nghiên cứu này, đưa ra tài liệu cơ sở lý thuyết tin cậy cho sự nghiên cứu về hệ thống đánh lửa mới

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu đề tài đã sử dụng các phương pháp chủ yếu sau:

- Phương pháp khảo sát đối tượng

- Phương pháp nghiên cứu tài liệu, internet

- Phương pháp xây dựng mô hình toán và mô phỏng

- Phương pháp thiết kế, mô phỏng số

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

thực tiễn thì khó có thể đánh giá được các thông số ảnh hưởng, các thông số lý tưởng Như vậy, việc nghiên cứu này có ý nghĩa hàm lượng khoa học cao Qua đề tài này, tạo tiền đề cơ sở lý thuyết vững chắc về hệ thống đánh lửa laser Tuy nhiên, đây là đề tài nghiên cứu khó và phức tạp, mang hàm lượng trí tuệ cao và cần phải có các thiết bị, công cụ hỗ trợ hiện đại khi tiến hành thực nghiệm Giá thành của các thí nghiệm rất đắc tiền, hàng tỷ đồng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Laser và đặc tính của nó

2.1.1 Khái niệm laser

Muốn nghiên cứu về hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt trong thì ta cần phải biết được laser là gì và đặc tính của laser như thế nào Từ đó, dựa vào các đặc tính này mới có thể điều khiển năng lượng sao cho phù hợp để đốt cháy hoàn toàn hoà khí Laser nó là một tia đơn sắc một chùm sáng có cường độ mạnh được phát ra nhờ hiện tượng phát xạ cảm ứng (hay còn gọi là phát xạ cưỡng bức), tia laser có tính định hướng, tính đơn sắc, và tính kết hợp cao và có cường độ lớn Laser nó

được viết tắt từ tiếng Anh của các chữ Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation có nghĩa là chúng là những dạng ánh sáng rất có trật tự chỉ có một

bước sóng và một hướng Điều này có nghĩa là có nhiều electron ở trạng thái kích thích hơn các electron ở trạng thái năng lượng thấp hơn Khi một electron giải phóng năng lượng (một photon), các electron khác dường như giao tiếp với nhau và cũng bắt đầu giải phóng photon Phản ứng dây chuyền giải phóng photon này được gọi là phát xạ kích thích Vấn đề bây giờ là các photon này được giải phóng theo các hướng ngẫu nhiên Để đảm bảo năng lượng này bị ép buộc theo cùng một hướng, các gương được đặt đối diện để hướng các photon Các photon bị phản xạ từ gương và chúng va đập vào nhau gây nên trạng thái kích thích Laser có nhiều loại: khí ga dùng Helium – Neon (He – Ne) để tạo ra tia laser Laser tạo ra từ các hóa chất chúng có được năng lượng thông qua phản ứng hóa học được sử dụng chủ yếu cho vũ khí Thuốc nhuộm cũng có thể làm ra tia laser sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ Thể rắn sử dụng môi trường thử được gọi là chất rắn (thay vì môi trường lỏng như trong thuốc nhuộm hoặc laser khí) được sử dụng làm vũ khí Chất bán dẫn còn được gọi là đi ốt laser, một laser bán dẫn là chúng hoạt động trong môi trường bán dẫn như một đi ốt phát quang có ứng dụng trong viễn thông và y học

Thực chất, laser là một chùm ánh sáng Năm 1677, nhà khoa học người Đan Mạch Ole R¨omer đã chứng minh rằng ánh sáng là “thứ gì đó” di chuyển với tốc độ hữu hạn Nghiên cứu về “thứ gì đó” có thể được thực hiện lần đầu tiên trên cơ sở

khoa học của nhà vật lý Hà Lan, Christiaan Huygens, trong một luận thuyết nhỏ về quang học xuất bản năm 1678 Tầm nhìn của ông về ánh sáng nó là một dạng gợn phát ra từ mọi điểm trong một nguồn nào đó Nhà khoa học Thụy Sĩ Leonard Euler

là người đầu tiên đề xuất, vào năm 1768 cho rằng cũng như bước sóng của sóng âm xác định độ cao của nó, bước sóng của ánh sáng gợn sóng xác định màu sắc của ánh sáng đó Tuy nhiên, khái niệm về ánh sáng như một sự lan truyền bởi một gợn sóng hoặc một loại sóng nào đó mà không chống lại giả thuyết cho rằng ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ (lý thuyết phân tử) được thúc đẩy bởi nhà khoa học người Anh Isaac Newton năm 1704 Gần một thế kỷ sau, vào năm 1801, một bác sĩ y khoa người Anh, Thomas Young, thí nghiệm “ánh sáng và hai khe” nổi tiếng, đã thiết lập vững chắc bản chất sóng của ánh sáng từ quan sát các vân – đó là các mẫu tối và sáng trên màn hình Cuối cùng, Newton áp đặt học thuyết rằng lý thuyết ánh sáng dựa trên bản chất “đặc biệt” và điều này mâu thuẫn với nhà bác học Young Ánh sáng là một chùm sóng và một chùm hạt rất khác nhau nhiều thứ Nó có tính chất lưỡng nguyên sóng – hạt Vào năm 1900, nhà khoa học người Đức Max Planck đã dựa trên kinh nghiệm có được liên quan chính xác đến màu sắc (định lượng bởi bước sóng, 𝜆) và cường độ tương ứng của một vật thể phát sáng Từ đó, ông đưa ra công thức về định luật bức xạ:

- 𝜈 (neue) là tần số tương ứng (𝜈 = c / 𝜆) của ánh sáng,

- T là nhiệt độ (tính bằng đơn vị Kelvin) của vật phát ra (blackbody),

h là hằng số Planck, ≈ 6,62 × 10−34 Joules.sec,

k là hằng số Boltzmann ≈ 1,38 10−22 Joules.K − 1 ,

c là vận tốc (tốc độ) của ánh sáng ≈ 3 × 108 m.sec – 1

Hình 2.1: Bức xạ của ánh sáng đơn sắc (laser)

2.1.2 Cách tạo hiệu ứng laser

Tia laser phát ra là tia đơn sắc có mức năng lượng cao gắn kết bởi hai yếu tố không gian và thời gian Sự gắn kết không gian có nghĩa là mối quan hệ pha cố định giữa các điện trường tại các vị trí khác nhau trên chùm tia Thông thường nó được thể hiện thông qua đầu ra là một chùm hẹp là nhiễu xạ giới hạn, còn được gọi là

“chùm bút chì” Các chùm tia laser có thể được tập trung vào các điểm rất nhỏ, đạt được độ rọi rất cao Sự gắn kết tạm thời có nghĩa là sự tương quan mạnh mẽ giữa các điện trường tại một địa điểm, nhưng thời gian khác nhau Nd: Laser YAG trong loại laser trạng thái rắn này gồm nhôm garnet yttrium pha tạp neodymium (Nd:

Y3Al5O12), được biết đến với tên gọi là tinh thể Nd: YAGNeodymium ion hóa triply thay thế yttrium trong cấu trúc tinh thể của nhôm yttriumgarnet (YAG), vì những tinh thể này có kích thước tương tự nhau Với ≈ 1% neodymium (bằng phần trăm nguyên tử) Nguồn với Nd: YAG rất phổ biến, và họ đã tìm thấy sử dụng rộng rãi trong một phạm vi rộng các lĩnh vực ứng dụng và khoa học, bao gồm lĩnh vực nghiên cứu hệ thống đánh lửa bằng laser và lĩnh vực năng lượng vật liệu Những laser này phát ra ánh sáng với bước sóng 1064 nm trong một bước sóng rất hẹp và

có thể được vận hành cả ở chế độ xung và liên tục Xung Nd: Laser YAG thường được vận hành ở chế độ ‘Q – Switched’

Hệ thống đánh lửa bằng laser có bộ phát laser với cáp quang được cấp nguồn bằng ắc quy của ô tô Chiếu chùm tia laser vào thấu kính và các chùm này hội tụ lại một điểm gọi là độ rọi Khi nhiên liệu có trong buồng đến thời điểm đánh lửa thì tia laser này được chiếu vào thấu kính và phản xạ theo một góc nào đó và đi vào buồng đốt động cơ để đốt cháy hoà khí Cấu tạo cơ bản để có thể tạo ra tia laser là: buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích), nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích), gương phản xạ toàn phần, gương bán mạ Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần Ánh sáng kích thích từ bộ phân phối tới

bộ phát laser sẽ đi qua buồng cộng hưởng, buồng cộng hưởng khuyếch đại ánh sáng tới thành chùm tia laser Chùm tia laser đầu tiên sẽ đi qua bộ tạo xung Q – switch, sau đó đi qua hai gương cầu để tạo thành tia laser tập trung có đủ năng lượng cho đánh lửa

Hình 2.2: Sơ đồ tạo tia laser [9]

2.2 Năng lượng tia laser

Năng lượng đánh lửa của hệ thống đánh lửa laser là rất quan trọng vì năng lượng này ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy của hòa khí trong xy lanh Nếu năng lượng đủ và đúng thời điểm thì hòa khí cháy triệt để và sinh công lớn Nếu năng lượng yếu thì chắc chắn hòa khí cháy không triệt để, dẫn đến ô nhiễm môi trường, trường hợp năng lượng tia laser quá lớn thì làm cho độ bền các chi tiết trong buồng cháy sẽ bị mài mòn, vì năng lượng tia laser quá lớn sẽ nóng chảy các chi tiết

Hình 2.3: Năng lượng tia laser

hc E





(2.2)Với E là năng lượng tia laser, c là vận tốc ánh sáng có giá trị 3.108 m/s và  chính

là bước sóng của tia laser, h là hằng số Plack’s và có giá trị 6,63.10-34 J.s

Năng lượng tia laser được thể hiện qua năng lượng plasma tối thiểu (MPE) và năng lượng đánh lửa tối thiểu (MIE) và năng lượng của xung tối thiểu

MPE, MIE và năng lượng plasma tối thiểu là các thông số quan trọng cho hệ thống đánh lửa laser Năng lượng plasma tối thiểu tương ứng với năng lượng tối thiểu trên mỗi xung cần thiết để đạt được trường điện tử hiệu quả để tạo ra plasma Năng lượng tối thiểu plasma là một hàm của áp suất (f(p))

Năng lượng đánh lửa tối thiểu (MIE) đề cập đến năng lượng tối thiểu cần thiết cho đánh lửa Nếu năng lượng xung laser ở dưới ngưỡng này, quá trình cháy không thể kích hoạt được MIE phụ thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu không khí của hỗn hợp, nhiệt độ

T và áp suất P (MIE = f (, P, T))

Năng lượng xung tối thiểu (MPE) thường cao hơn MIE Nó tương ứng với tổng năng lượng cần thiết để tạo ra sự đánh lửa Không phải tất cả năng lượng laser đều được sử dụng trong plasma Một phần của xung laser được truyền trước khi hình thành plasma hoặc là không được hấp thụ hoàn toàn Năng lượng này không được

sử dụng trong trạng thái plasma, phản xạ và các tổn thất khác được bao gồm trong năng lượng xung tối thiểu (MPE)

Năng lượng của một xung (Energy Per Pulse): để mô tả đặc tính hệ thống laser Q –switching, phải biết một số thông số chùm nhất định Một số các thông số này có thể dễ dàng đo lường và được sử dụng để tính toán

Nếu làm thí nghiệm ta có thể có được các thông số đo đạt (Measured Parameters) gồm công suất trung bình, tỷ lệ xung lặp lại và thời lượng xung được chiếu Từ đó,

ta có thể tính toán được thông số năng lượng trên một xung và công suất cao nhất

Công suất trung bình được đo bằng máy đo công suất giá trị này đọc trực tiếp Vì công suất trung bình là được đo trong khi laser là chuyển mạch Q (xung), tốc độ lặp lại mà tại đó phép đo đã được thực hiện nên được máy ghi chép lại Tỷ lệ lặp lại được đo bằng cách quan sát hành trình xung đầu ra trên một dao động, và xác định số xung trên giây Thời gian xung được xác định bằng cách xem đầu ra laser trên bộ dao động kí

Cách tính năng lượng mỗi xung được cho bởi công thức nó là tỷ lệ giữa công suất trung bình trên tỷ lệ xung lặp lại

1

av pluse

Rate

P E

R



(2.3)Trong đó: E 1 pluse, Pav, RRate lần lượt là năng lượng của 1 tia laser (J – Joules), công suất trung bình (Wats) và tỷ lệ xung lặp lại trên một giây (Herzt)

Công suất tại đỉnh mỗi xung (công suất cao nhất): công suất tại đỉnh mỗi xung được xác định bằng cách chia năng lượng cho mỗi xung theo thời gian xung Nó được tính bởi công thức sau:

1 pluse

pk Pulse

E P D



(2.4)

Trong đó: Ppk, DPulse lần lượt là công suất tại đỉnh, độ rộng xung

Để hình dung được vấn đề này ta có thể tính toán cụ thể cho trường hợp:

Một laser được vận hành ở tốc độ lặp lại 5 kHz, với công suất trung bình là 2 Wats

Sử dụng thông tin này, chúng ta có thể tính toán năng lượng cho mỗi xung dựa vào công thức tính E như sau:

3 1

2

0, 4 105000

av pluse

Rate

P E

Wats hoạt động ở mức 5 kHz có công suất xung là 0,4 miliJoules Ngoài ra, giả sử

rằng chúng ta đã đo xung thời lượng là 150 nano giây (10-9 giây) Với thông tin này, công suất xung đỉnh có thể được tính như sau:

3 1

Pulse

E P D

do đó tạo ra năng lượng plasma đủ mạnh để đốt cháy nhiên liệu Chính vì sự va chạm giữa các phân từ với nhau nên sinh ra động lực học mà ta cần phải nghiên cứu

Phương trình chuyển động của các electron có gia tốc:

F = me.a Đạo hàm bậc hai hai vế ta được

x n e dt

x d

2 2

2 ,

n e

e e

Vận tốc trung bình cũng là một thông số được chú ý đến:

u v m

T k du u vf

Trong đó: u là vận tốc trung bình, v là vận tốc tương đối trung bình, d là đường kính

các phần tử tự do Vì các phân tử có dạng hình tròn nên diện tích mặt cắt ngang được tính Số hạt va chạm trong một đơn vị thời gian

Hình 2.5: Các thông số cơ bản

Đường đi tự do trung bình của các hạt phân tử (mean free path) kí hiệu là  này được tính bởi công thức sau:

n d vn

d

u vacham soelectron

Hanhtrinh

2 2

bị oxy hoá yếu hơn Nó được xác định bởi công thức:

n d u d n

u e

e

,

4)

4/

e n

m

T k n d u

sự phân rã của nhiên liệu Việc va chạm của các ion tạo ra năng lượng nhiệt khổng

lồ do đó tạo ra năng lượng plasma đủ mạnh để đốt cháy nhiên liệu

Chiếu một bức xạ laser có bước sóng  qua thấu kính có đường kính d với tiêu cự f

Hình 2.6: Thông số cơ bản của hệ thống laser

Bán kính R của tia laser liên hệ với đường kính của thấu kính và tiêu cự f qua công

sau: f=350 mm, d=10 mm, λ=266 nm Với 2R~45 μm

Tia laser khi chiếu có dạng là dòng chảy rối, độ phân giải chiều dài của dòng chảy này được tính theo công thức tính phân như sau:

k k ij k

ij x t x t r dr

L ( , , ,0)

2

1),(

),(),(

),(),()

,,(

2 ' 2

'

' ,

t r x u t x u

t r x u t x u t

r x

j i

j i

4 1 3

)(





75 0

Ret

k L





L k R

t

e

5 0

Quy mô Kolmogorov ηk ~ 50 μm (luồng khí xoáy tại Re = 10000)

Độ phân giải thời gian:

Chất lượng (q–) chuyển đổi cho phép ns xung (10-9 s)

Xung 1ns tương ứng với ~ 30 cm

Hoạt động xung tăng cường cường độ đột ngột → các phương pháp quang phi tuyến trở nên khả thi (phương pháp CARS nổi bật nhất)

Tích phân thời gian ta có:

T ij ij( , ,0, )

2

1),(

(2.16)

Phương sai thời gian:

),(),(

),(),()

,0,(

2 ' 2

'

' '

t x u t x u t

x

j i

j i

ij

(2.17)

Quy mô thời gian Kolmogorov:

5 0

Vận tốc trung bình:

i i i

t

t u u

1

1

(2.19)

N

i i i

t

t u u

1

1

2 ' 2

N

i

i i i u

t

t u u

k

1

1

' '

' '

2 2

.

) 2 (

5 0

dễ đốt cháy hòa khí, nhưng cần chú ý là nếu bước sóng quá ngắn thì tia laser có tính chất hạt, một khi có tính chất hạt thì tia laser là “cứng” và có tính chất đâm xuyên vật liệu làm cho đỉnh piston bị hỏng nghĩa là bị lủng piston Điều này vô cùng quan trọng trong việc thực hành thí nghiệm, nếu chẳng may không nắm bắt

về tính chất này thì rất dễ phá hỏng động cơ Phương trình liên hệ giữa nhiệt độ

và bước sóng laser được tính bởi công thức sau:

b T

Trong đó: b được gọi là hằng số tỷ lệ hay còn gọi là hằng số dịch chuyển Wien (Wien’s displacement constant) Và nó có giá trị bằng 2,9.10-3 m.K/s

T là nhiệt độ của khối khí khi bắt đầu phát tia laser, ở đây tia laser phát ra thời

gian rất nhanh do đó nó không có “độ trễ” Năng lượng của tia laser đáp ứng rất cao, không gây ra hiện tượng trễ

2.5 Các loại hệ thống đánh lửa laser

- Đánh lửa laser hiệu ứng nhiệt (laser – induced thermal ignition) là không sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ (hệ thống đánh lửa truyền thống) Bức xạ laser sẽ được sử dụng để làm tăng nhiệt lượng và nhiệt độ của hoà khí Trong các liên kết phân tử ban đầu, nhiệt được phân hủy thành phản ứng hóa học và điều này dẫn đến

sự đánh lửa với thời gian đánh lửa trễ, thời gian đánh lửa dài Phương pháp này phù hợp cho hỗn hợp nhiên liệu với độ hấp thụ mạnh ở bước sóng laser Nhiệt bắt đầu được sử dụng cho nhiên liệu rắn (solid fuel) do khả năng hấp thụ của chúng ở bước sóng hồng ngoại

- Phân rã không cộng hưởng (non – resonant breakdown) hầu hết hệ thống đánh lửa bằng laser hoạt động theo nguyên tắc phá vỡ không cộng hưởng Quá trình bắt đầu với sự ion hóa đa photon Các electron được giải phóng là va chạm với các phân tử khí, chúng bị ion hoá dẫn đến mất điện tử và sự phân rã của nhiên liệu Việc

va chạm của các ion tạo ra năng lượng nhiệt khổng lồ do đó tạo ra năng lượng plasma đủ mạnh để đốt cháy nhiên liệu Phân rã không cộng hưởng là cơ chế tương

tự như hệ thống đánh lửa truyền thống Trong hệ thống đánh lửa laser, chùm tia laser chiếu xạ với độ tập trung là 1010 W/cm2 đủ để tạo ra một tia lửa có năng lượng plasma hoặc bằng quá trình ion hóa đa photon hoặc các hạt electron Cơ chế của hệ thống đánh lửa này tạo ra sự phân rã plasma và đến buồng đốt

- Phân rã có cộng hưởng (Resonant breakdown) quá trình phân rã có cộng hưởng liên quan đến sự phân bố các hạt đa photon của các phân tử dẫn đến giải phóng các nguyên tử tự do Tức là tạo ra chênh lệch mức năng lượng Quá trình này

đủ tạo ra các electron cần thiết để phân rã Về mặt lý thuyết, năng lượng đầu vào ít hơn là cần thiết do tính chất cộng hưởng của phương pháp này

- Cơ chế quang hoá (Photochemical mechanisms) trong photon laser quang hóa đánh lửa nói chung là tia cực tím (UV – Ultra Violet) sẽ được hấp thụ bởi các phân tử và gây ra chúng phân tách thành các gốc tự do Trong phương pháp đánh lửa quang hóa, lượng nhiệt phát ra từ chùm tia laser là ít dẫn đến sự phân ly phân tử tạo nên sự hình thành các gốc tự do (tức là các phân tử hoá học có tính phản ứng cao), nếu tỷ lệ các gốc tự do được tạo ra theo phương pháp này thì cao hơn các gốc liên kết (tức là, trung hòa các gốc tự do), thì số lượng các gốc có hoạt tính cao này

sẽ đạt tới giá trị ngưỡng, dẫn đến xuất hiện tia lửa Số lượng các gốc tự do sẽ gia tăng theo thời điểm và có tên gọi là chuỗi – nhánh trong hoá học [10]

2.6 Ưu điểm, nhược điểm của hệ thống đánh lửa laser

Vì hoà khí được cháy hoàn toàn tuỳ theo điều kiện hoạt động của động cơ nên ít ô nhiễm môi trường Khi hoà khí nghèo thì muốn cháy được cần phải có tia lửa mạnh, nếu dùng hệ thống đánh lửa cưỡng bức thì phải tăng năng lượng đánh lửa tại bugi , đồng nghĩa khi năng lượng tăng thì số electron từ điện cực trung tâm bắn qua điện cực bìa là rất lớn Do đó, sẽ làm bugi mau mài mòn và khe hở bugi không đảm bảo Còn hệ thống đánh lửa laser muốn tăng được năng lượng chỉ cần phân bố lại năng lượng

Đối với động cơ dùng khí tự nhiên thì hệ thống đánh lửa không làm cho hoà khí cháy triệt để nhưng khi dùng hệ thống đánh lửa laser thì lại có hiệu quả hơn vì laser

là đơn sắc, nó sẽ dễ dàng hơn nhiều để đốt cháy khí tự nhiên và hướng chùm tia laser đến một vị trí đánh lửa tối ưu

Hệ thống đánh lửa laser có thể chế tạo thành hệ thống đánh lửa đa điểm, còn ở hệ thống đánh lửa truyền thống (SI) thì việc này rất khó

Hệ thống đánh lửa laser (LIS) có thể đánh lửa ở chế độ hoà khí siêu nghèo và có nhiệt độ thấp hơn hệ thống đánh lửa truyền thống (SI) nên ít sinh ra khí xả NOx từ

đó ít gây ô nhiễm môi trường

Thời gian điều khiển tia lửa chính xác

2.7 Cơ sở về mô phỏng CFD của hệ thống đánh lửa laser

Mô phỏng động cơ được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau Trong đó,

có bốn loại mô hình hóa tính toán chính xác dòng nạp và xả được phát triển và sử

dụng:

(1) Mô hình Quasi – steady: được sử dụng cho điều khiển, như điều khiển van EGR Khuyết điểm là dùng quá nhiều phương trình thực nghiệm nghiệm nên kết quả tính toán không đạt độ chính xác cao

(2) Mô hình “Filling and empting”: được sử dụng cho tính toán hiệu suất Sử dụng phương trình khối lượng và năng lượng hoặc entropy Thường hay sử dụng nhất

(3) Mô hình Wave action: Dùng các phương trình động lực của dòng chảy một chiều Thời gian tính toán khá dài Đối với các đường ống có tỉ lệ chiều dài chia đường kính lớn hơn 10m, ảnh hưởng của bản chất sóng không nên bỏ qua

(4) Mô hình CFD (Computial Fluent Dynamic): Mô phỏng dòng chảy 3 chiều Thời gian tính toán khá dài Được dùng cho một thiết kế động cơ mới

Tính toán tốc độ dòng khí vào động cơ là một hàm số theo A (diện tích), P0 (áp suất khí quyển), và Pm/P0 (tỉ lệ áp suất của áp suất đường ống và áp suất khí quyển)

0 0

và Heat Release), (4) Ma sát (Friction), (5) Làm việc (Workdone) Để mô phỏng tính được phương pháp “Filling and Empty” tác giả dùng phương pháp CFD tính toán mô phỏng bằng phần mềm ANSYS (Mô phỏng 3 chiều) bằng dòng chất lỏng

từ đó mới xuất ra dữ liệu tính toán theo phương pháp “Filling and Empty” Phương pháp “Filling and Empty” được sử dụng phổ biến cho các ứng dụng mô phỏng khi nói về đánh giá hiệu suất của động cơ Trong đó, động lực học trong xy lanh là rất quan trọng, vì có yếu tố việc nhận nhiệt và nhả nhiệt trong xy lanh Năng lượng và thời điểm đánh lửa ảnh hưởng đến quá trình cháy từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả của động cơ Bên cạnh đó, tác giả còn dùng hàm Wiebe (Wiebe function) để mô phỏng khối lượng khí cháy MFB (Mass Fraction Burn)

Phương pháp mô phỏng CFD là một hệ thống phân tích liên quan tới dòng lưu chất đặc biệt mô phỏng về truyền nhiệt và nhả nhiệt Quan trọng nhất trong việc hình thành quá trình mô phỏng đó là phương trình chủ đạo (Governing equations) Phương pháp CFD dựa trên các định luật về bảo toàn năng lượng Các định luật bảo toàn năng lượng có thể chứa các biến và các đối tượng điều khiển và các đối tượng liên quan cụ thể như năng lượng, khối lượng, động lượng Ngoài ra phương pháp này còn được sử dụng cho việc mô phỏng động lực học của các vật rắn Trong hệ thống đánh lửa laser thì việc phân rã và có sự va chạm của các electron nên tuân theo định luật về bảo toàn động lượng và năng lượng Nhiệt động lực học của laser được thể hiện qua các biến áp suất, nhiệt độ, khối lượng riêng và số hạt electron

Việc thiết lập các phương trình khi mô phỏng dạng chảy của môi chất thì được biết đến phương trình Navier – Stokes còn đối với dòng chảy không nhìn thấy thì chủ yếu ứng dụng phương trình Euler Khái niệm cơ bản trong việc xây dựng công thức về các định luật bảo toàn là thể hiện sự lan của dòng chảy (flux) Một phương trình bảo toàn chung được thể hiện:

S d Q d

Q s d F d

Ω là thể tích vùng điều khiển,

S là thể tích định nghĩa các bề mặt xác định,

F là sự lan của dòng chảy,

Qv và Qs là thể tích và bề mặt đối tượng mô phỏng,

Ứng dụng lý thuyết Gauss’ để tích phân bề mặt có thể được viết lại từ phương trình

vi phân:

v S

s v

S

Q Q

F t

d Q d

Q d

F d

t

d F S

d F

Với biến Ω tùy ý cho bất kỳ dòng chảy nào Và nó có thể được viết từ phương trình

vi phân thứ ba Từ phương trình vi phân thứ ba nó có thể được nhìn thấy sự xuất hiện của dòng chảy dưới bất kì điều kiện hoạt động nào Và nó thường được xuất hiện trong hai hiện tượng chính đó là đối lưu và khuếch tán

Đối lưu được hiển thị số lượng của dòng chảy theo bất kì hướng nàoF C U, đối

lưu tỷ lệ thuận với vận tốc và đặc tính hướng Khuếch tán được hiển thị số lượng với gradient F D k

Phương trình vi phân được viết với hai loại dòng chảy (đối lưu và khuếch tán) như sau:

S

v Q Q

k U

t  .  .(  )  .



(2.26) Phương trình bảo toàn của vec tơ thuộc tính được thể hiện các công thức sau:

Q d

Q d

F d

t

S d Q d

Q S d F d

t

S V

v

S S S

V

.

v

A Q Q F





) (



(2.28) Trong phương pháp mô phỏng CFD không thể không kể đến phương trình liên tục:

(2.29)

Phương trình thứ 2 là phương trình vi phân từ phương trình liên tục Hiện tượng khuếch tán không được đề cập trong phương trình liên tục vì khối lượng vật chất không xảy ra hiện tượng khuếch tán

0 ) (

0

S d U d