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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER TRÊN ĐỘNG CƠ XĂNG MÃ SỐ: T2019-24TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2020 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 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 Luan van 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 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm T2019-24TĐ CÁC THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Lý Vĩnh Đạt Đơn vị phối hợp thực hiện: Bộ môn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM i Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2019-24TĐ MỤC LỤC Danh sách thành viên tham gia đơn vị phối hợp thực i Mục lục ii Danh sách bảng iv Danh sách hình v Danh mục chữ viết tắt vi Thông tin kết nghiên cứu viii Chương 1……………… 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Nghiên cứu nước 1.2.2 Nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Đối tượng nghiên cứu .7 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Chương …………………………….9 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Laser đặc tính nó…………… .…….…… ………….……….….… 2.1.1Khái niệm laser.…….… ………… …… ……… …………… … 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 hệ thống đánh lửa laser ………… ……… …… 22 2.7Cơ sở mô CFD hệ thống đánh lửa laser…………… ……… 23 ii Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2019-24TĐ Chương 3……………….………………………………………………………….32 MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG……………………………………… 32 3.1 Khái qt mơ hình hóa mơ ……… ………………………… 32 3.2 Xây dựng mơ hình hóa hệ thống đánh lửa laser Matlab/Simulink…… 35 3.2.1 Thông số tổng quát đầu vào hệ thống đánh lửa laser ………… 35 3.2.2 Mơ hình hóa đường ống nạp…… ……………………………… .38 3.2.3 Mơ hình hóa Q trình cháy………………………… .…………….43 Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN…………………… ….47 4.1 Khối lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ………………… ……47 4.2 Năng lượng đánh lửa dùng hệ thống đánh lửa laser hệ thống đánh lửa 49 4.3 Khối lượng khí cháy buồng đốt………………………… ….55 4.4 Công suất động dùng hệ thống đánh lửa laser hệ thống đánh lửa cưỡng .57 4.5 Mô men động dùng hệ thống đánh lửa laser hệ thống đánh lửa cưỡng bức……………………………………………………………… ….60 4.6 Suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hệ thống đánh lửa laser 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 iii Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2019-24TĐ DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Bức xạ 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 tần số plasma……………………………………….16 Hình 2.5: Các thơng số bản…………………………………………………….17 Hình 2.6: Thơng số hệ thống đánh lửa laser………………………… 18 Hình 2.7: Quá trình nạp ảnh hưởng tới trình cháy……………………… 30 Hình 3.1: Chỉ số xoáy lốc dọc ngang xy lanh ………………………….34 Hình 3.2: Mơ hình tổng qt hệ thống đánh lửa laser……………………… 35 Hình 3.3: Mơ hình tổng quan mơ hình hóa đường ống nạp…………….… 38 Hình 3.4: Nhập phương trình chủ đạo cách tính diện tích thân bướm ga…… 40 Hình 3.5: Một khối Subsystem để tính tốn diện tích cánh bướm ga………… …40 Hình 3.6: Một khối Subsystem mơ hình hóa đường ống nạp…………… 41 Hình 3.7: Các thơng số đầu vào để tính tốn khối lượng khơng khí………………42 Hình 3.8: Khối lượng khơng khí vào xy lanh…………………… … 43 Hình 3.9: Mơ hình hóa khối lượng khơng khí qua cánh bướm ga…………… 43 Hình 3.10: Khối Quá trình cháy xây dựng nhiều Subsystem………… 44 Hình 3.11: Thơng số đầu vào đầu Quá trình cháy………………………44 Hình 3.12: Mơ hình hóa nhiệt lượng tỏa ra……………………………… .45 Hình 3.13: Mơ hình với nhiệt lượng truyền Quá trình cháy…………… 45 Hình 3.14: Tổng quan khối để tính tốn áp suất xy lanh động cơ………46 Hình 4.1: Khối lượng khơng khí nạp vào xy lanh ứng với hai loại hệ thống đánh lửa khác ……………………………………………………… 48 Hình 4.2: Năng lượng đánh lửa hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS)…………53 Hình 4.3: Năng lượng đánh lửa động dùng hệ thống đánh lửa laser (LIS) 54 Hình 4.4: Khối lượng khí cháy (MFB) dùng LIS SIS…………………… 56 Hình 4.5: Công suất động dùng LIS SIS………………………… 57 Hình 4.6: Mơ men động dùng LIS SIS…………………………….60 Hình 4.7: Suất tiêu hao nhiên liệu động dùng LIS SIS…………………63 iv Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2019-24TĐ 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 thơng số đầu vào mơ hình hóa hệ thống đánh lửa laser……….36 v Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2019-24TĐ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANSYS: Analys system – Phân tích hệ thống AQI: Air Quality Index – Chỉ số chất lượng khơng khí CA: Crankshaft Angle – Góc quay trục khuỷu CATIA V5: Computer Aided Three Dimensional Interactive Application – Xử lý tương tác khơng gian ba chiều có hỗ trợ máy tính CAE: Computer – Aided Engineering – Kỹ thuật có hỗ trợ máy tính ECU: Electronic Control Unit – Hộp điều khiển động 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 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 đốt IMEP: Indicated Mean Effective Pressure – Áp suất 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 vi Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS:T2019-24TĐ 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 SOHC: Single OverHead Camshaft – Trục cam đơn đặt nắp máy SIS: Spark Ignition System – Hệ thống đánh lửa cưỡng 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 vii Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2019-24TĐ giá trị đường đặc tính băng thử thấy rõ ràng hơn, dễ đánh giá đặc tính động chế độ khác Việc chọn mô lý thuyết phần mềm mang tính chủ quan người nghiên cứu Vì thiết bị để mô thực nghiệm tia laser đắt tiền có độ xác cao Nếu tương lai phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia, có trang bị hệ thống tạo xung laser bước sóng cực ngắn áp dụng để thí nghiệm cho hệ thống đánh lửa ô tô phù hợp, việc nghiên cứu lý thuyết thực tiễn song song với nhau, bổ trợ cho Tuy nhiên, cần nghiên cứu kỹ thao tác với máy tia laser có tính đơn sắc cao, thuộc loại bước sóng ngắn có tính chất hạt, dễ gây hại cho người Trang 66 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2019-24TĐ TÀI LIỆU THAM KHO [1] G Liedl, D Schuăocker, B Geringer, J Graf, D Klawatsch, H.P Lenz, W.F Piock, M.Jetzinger, P Kapus, Laser induced ignition, in Proc SPIE, 5777, pp 955– 960, 2004 [2] Geoff Dearden and Tom Shenton, Laser ignited engines: progress, challenges and prospects, C) 2013 OSA November 2013 | Vol 21, No S6 |DOI:10.1364/OE.21.0A1113 | OPTICS EXPRESS A1125 [3] Peters, Nathan, Investigation of the multi– physics of laser-induced ignition of transportation fuels Dissertations - ALL 689, (2017) [4] J D Mullett, Dodd, R., Triantos, G., Dearden, G., Shenton, A T., Watkins, K G., Carroll, S D., Scarisbrick, A D and Keen, S, Effects of laser parameters on laser ignition in an internal combustion engine, Photon06 Conference Manchester, Institute of Physics, OPD: Advanced Imaging III, September 2006 [5] Guilhem Lacaze, Bénédicte Cuenot, Thierry Poinsot, Michael Oschwald, Large Eddy Simulation of laser ignition and compressible reacting flow in a rocket-like configuration, Combustion and Flame, Elsevier, 156 (6), pp.1166– 1180 , 2009 [6] O Ya¸sar, Plasma Modeling of Ignition for Combustion Simulations, Parallel Com- puting, 27, (2001) [7] Akshita Puli, J Jagadesh Kumar, Laser Ignition System for I C Engines, © IJSRSET | Volume | Issue | Print ISSN: 2395– 1990 | Online ISSN : 2394-4099, 2016 [8] ChristianForsicha, MaximilianLacknera, FranzWintera, HerbertKopecekb, ErnstWintnerb, Characterization of laser-induced ignition of biogas–air mixtures, Sciencedirect, 12 November, 2003 [9] Dr Younes Ataiiyan, Lecture of Laser Ignition for Internal Combustion Engine Trang 67 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2019-24TĐ [10] Swapnil S Harel1, Mohnish Khairnar2, Vipul Sonawane.Laser Ignition System for IC Engines, International Journal of Science and Research (IJSR), Vol Issue 7, pp 1553 – 1554, July, 2014 [11] Heywood, Internal Combustion Engine Fundamental, Gc Graw-Hill, 1998 [12] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động NXB Đại học Quốc Gia, 2013 [13] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động NXB Đại học Quốc Gia, 2013 [14] Msc Đặng Quý, Lý thuyết ô tô NXB Đại học Quốc Gia, năm 2012, trang100 Trang 68 Luan van Luan van Luan van 68 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER NHẰM NÂNG CAO ĐẶC TÍNH ĐỘNG CƠ XĂNG RESEARCH OF LASER IGNITION TO ENHANCE ICE PERFORMANCE THROUGH SIMULATION Lý Vĩnh Đạt1, Đỗ Tấn Thích2, Đỗ Văn Dũng1 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Trường Đại học Lạc Hồng, Việt Nam Ngày soạn nhận 27/10/2019, ngày phản biện đánh giá 02/12/2019, ngày chấp nhận đăng 13/12/2019 TÓM TẮT Hiện nay, xe máy phương tiện giao thông chủ yếu phổ biến quốc gia Châu Á đặc biệt Việt Nam Nhu cầu sử dụng xe máy ngày nhiều tiện lợi phù hợp với tài người dân, theo thời gian nguồn nhiên liệu hố thạch ngày cạn kiệt, nhu cầu cấp thiết đặt cho nhà nghiên cứu cải tiến cách có hiệu vừa đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật mơi trường Có nhiều cách cải tiến đặc tính động cơ, bao gồm cải tiến hệ thống đánh lửa Bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế CATIA phần mềm ANSYS Fluent kết hợp với phần mềm Matlab nghiên cứu dự đốn xác hiệu suất động cơ, hiệu công suất hiệu chi phí Bài báo sử dụng phần mềm CATIA 3D để thiết kế hệ thống động xe máy Honda Future FI 125cc, mơ q trình đánh lửa Laser – mơ cho động xy lanh ta mơ hệ thống đánh lửa Laser cho nhiều xy lanh, hệ thống đánh lửa tất hệ thống đánh lửa động đốt Từ đó, so sánh động dùng hệ thống đánh lửa Laser với hệ thống đánh lửa hệ trước Phần mềm Matlab dùng để tính tốn cơng suất, mơ men xoắn, suất tiêu hao nhiên liệu, khối lượng khí nạp, khối lượng khí cháy, lượng tia lửa, tính hiệu hệ thống đánh lửa – hệ thống đánh lửa Laser Từ khoá: động cơ; hệ thống đánh lửa Laser; công suất; phần mềm ANSYS Fluent; phần mềm Matlab ABSTRACT Nowadays, motorbike is a main and popular transport in Asia countries that includes Vietnam The demand for motorcycles is increasing, because of the convenient and affordable transport for the people, over time, the fossil fuel source is increasingly depleted, due to increasing demand Researchers find the methods that improve engine performance, efficiency and economy fuel sonsumption, technology and environment There are many ways to improve engine performance, including improved ignition systems By using CATIA design and ANSYS Fluent softwares in conjunction with Matlab software, the research predicts the engine efficiency accurately and efficiency power and cost–effectively In this paper, the researchers will use CATIA 3D design software to design basic system on the Honda Future FI 125cc engine Simulating the Laser ignition system process combustion when simulating single cylinder engine then can simulate Laser ignition system for multiple cylinders The Laser ignition latest ignition system in all other ignition systems From there, compared to efficiency between Laser ignition system and conventional ignition system Matlab software is used to calculate power, torque, BSFC, intake air mas, MFB, ignition energy, efficiency of the latest ignition system – the Laser ignition system Keywords: engine; Laser ignition system; power; ANSYS software; Matlab software Luan van Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh GIỚI THIỆU Hiện nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu để nâng cao đặc tính động xăng, nhiều nhà nghiên cứu tô tiến hành cải tiến hệ thống, khơng thể khơng kể đến việc cải tiến hệ thống đánh lửa Cải tiến hệ thống đánh lửa cách thay phương pháp đánh lửa khác, nhiều đề tài có đề cập đến hệ thống đánh lửa siêu tụ, hệ thống đánh lửa lai Trong báo nghiên cứu đặc tính động xăng dùng hệ thống đánh lửa Laser Mullet [1] cộng nghiên cứu ảnh hưởng thông số Laser ưu điểm hệ thống đánh lửa Laser (LIS) so với hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS), hiệu cháy động vị trí đặt tia Laser vị trí buồng đốt khơng phải cố định hệ thống đánh lửa truyền thống Bởi vì, hệ thống đánh lửa cưỡng vị trí bu – gi cố định, điện cực nhô có hạn chế dập tắt ion từ điện cực trung tâm phóng điện cực bìa, dẫn đến tia lửa vị trí bu – gi yếu Nghiên cứu gần việc sử dụng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu khơng khí động đốt (ICE) cho thấy có nhiều lợi tiềm so với hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS): giảm phát thải, động hoạt động ổn định tốc độ cầm chừng tốt Yasar [2] tiến hành mô hệ thống đánh lửa Laser thông qua phương pháp mô CFD, tác giả đưa phương trình trạng thái EOS (Equation of State) nêu lên chất chế hình thành tia Laser Nhóm nghiên cứu đứng đầu Liedl cộng [3] nghiên cứu mô số hệ thống đánh lửa Laser điều kiện môi trường khác Việc nghiên cứu nhằm mục đích để đánh giá thông số ứng dụng thực tế động trường hợp chịu ảnh hưởng khác buồng đốt (áp suất, nhiệt độ) Dearden Shenton [4] nghiên cứu trình đánh lửa Laser ứng dụng động phun xăng trực tiếp (GDI), Peters [5] nghiên cứu tính đa vật lý tia Laser nhiên liệu dùng động đốt Puli Kumar [6] phân tích ưu điểm hệ thống đánh lửa Laser so với hệ thống đánh lửa cưỡng 69 Phần mềm Matlab/ Simulink dùng để mơ hình hóa mơ q trình sinh cơng động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng hệ thống đánh lửa Laser Đó phần mềm chủ đạo ứng dụng báo Phần mềm ANSYS Fluent sử dụng để mơ CFD, kết hệ số xốy lốc dọc xốy lốc ngang thơng số đầu vào để tính hai hệ số a m có ảnh hưởng đến q trình cháy: a= + 0,1 Rst.exp(Rst - 2) (1) m= 2+ 0,4 Rst.exp(Rst - 2) (2) Trong đó: Rst tổng hệ số xốy lốc dọc ngang Khi có hai hệ số ta tính thơng số y ảnh hưởng q trình cháy Thơng số y chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố: phần khối lượng nhiên liệu bị cháy, góc quay trục khuỷu bắt đầu đánh lửa để đốt cháy nhiên liệu Quan trọng ảnh hưởng xốy lốc dọc ngang thơng qua thông số a, m ước lượng qua mô hình cháy Wiebe function: y dxb   0 m1 m    0 m  a ( ) exp(a.( ) ) d d  d (3) Quá trình cháy nhả nhiệt liên quan đến cơng suất động Quá trình nhả nhiệt động đặc trưng tốc độ cháy, khối lượng nhiên liệu bị cháy y, nhiệt trị nhiên liệu QHV khối lượng nhiên liệu chu kỳ mf theo công thức sau [7]: dQhr  y.(QHV ).m f d (4) Trong q trình cháy có nhiệt lượng tỏa trình truyền nhiệt Hai yếu tố có ảnh hưởng lớn đến q trình cháy động theo công thức sau: dp p dV    dQht dQhr        d V d V  d d  (5) Bên cạnh đó, thơng số thể tích hàm số theo góc quay trục khuỷu động cơ: Vci ( )  Vd 1  cos    Vcl Vd: Thể tích xy lanh (m3) Vci: Thể tích phần lõm xy lanh (m3) Luan van (6) 70 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Năng lượng đánh lửa hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) hệ thống đánh lửa Laser (LIS) yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ cháy sản phẩm cháy động Đối với động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng có nhược điểm tia lửa yếu chạy tốc độ cao (phụ thuộc vào dòng điện ngắt), lượng động dùng hệ thống đánh lửa Laser có khả đáp ứng chế độ hoạt động, cần phân bố lại lượng tia Laser Năng lượng phụ thuộc vào IB ngưỡng mật độ lượng phân rã (Breakdown Power Density Threshold) ngưỡng lượng để tạo tia Laser EB Chúng có mối liên hệ sau: [8] IB   EB      R t  (7) MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 2.1 Các thơng số đầu vào Q trình xốy lốc dọc nhiều ảnh hưởng đến mật độ hịa khí tập trung vị trí đặt tia Laser, số xoáy lốc tập trung vào cuối kỳ nén, điều chứng tỏ q trình hịa trộn hịa khí nạp tốt Khi hịa trộn tốt, cần chiếu xung tia Laser vào buồng đốt hịa khí dễ bốc cháy, thành phần xốy lốc ngang (Tumble) giá trị cực đại 1,35 Và hệ số xốy lốc tổng cộng là: 4,05 Thơng số kết cấu động thông số kỹ thuật quan trọng để tiến hành thiết lập mô định nghĩa bảng Bảng Thông số động Thông số Giá trị Đơn vị Trong đó: R: Bán kính tia Laser sau qua tiêu f điểm, R  1.22 với f tiêu cự, d bán d kính tia, EB lượng phân rã tia Laser Thể tích cơng tác 125 cc Tỷ số nén 9,3 Độ dài truyền 101,5 mm Đường kính xy lanh 52,4 mm Tia Laser chất sóng điện từ (Electromagnetic Wave) có lượng đánh lửa là: Bán kính trục khủyu 28,95 mm Đường kính cổ nạp khí 23,2 mm ELIS  1,94 10 Độ nâng xú páp nạp 0,2 mm Độ nâng xú páp xả 0.2 mm IB (8) Năng lượng đánh lửa hệ thống đánh lửa cưỡng phụ thuộc nhiều vào yếu tố, đặc biệt trình ngắt điện cuộn sơ cấp thời gian tăng trưởng dịng điện thứ cấp, thời gian ngậm điện “dwell”: [9] I ng t d U1  1  1  e R      (9) Số xú páp Bên cạnh đó, thơng số ảnh hưởng đến q trình cháy thơng số hệ thống đánh lửa Có thơng số quan trọng để tiến hành thiết lập vào phần mềm Matlab/Simulink từ tính tốn, dự đốn đặc tính động Bảng Thơng số hệ thống đánh lửa Laser Thông số Giá trị Đơn vị Trong đó: U1: Hiệu điện ngồi cung cấp (ắc quy) R1: Điện trở cuộn sơ cấp, R1= (0,5 – 1,0) [Ω], điện trở nhỏ bơ bin có giá thành đắt Bước sóng Laser 266 nm Năng lượng Laser 0,4 mJ/xung Công suất xung Laser 2,67 kW L1: Độ tự cảm cuộn sơ cấp, L1= (0,1 – 5,0).10-3 [H] Thực tế L1= 0,62.10-3 [H], L1 tăng cao làm giảm Ing gây tia lửa điện tiếp điểm Tiêu cự thấu kính 350 mm Đường kính thấu kính 10 Hệ số dịch chuyển Wien Luan van 2,9.10 mm -3 m.K Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 71 Để so sánh đặc tính động dùng hệ thống đánh lửa Laser động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng ta phải có thông số đầu vào hệ thống đánh lửa cưỡng để mơ hình hóa mơ Bảng Thông số hệ thống đánh lửa cưỡng Thông số Độ tự cảm cuộn sơ cấp Giá trị -3 Đơn vị 0,62.10 H Điện trở cuộn sơ cấp 0,5 Ohm Số vòng dây quấn cuộn sơ cấp 350 vòng Số vòng dây quấn cuộn thứ cấp 19000 vòng Hiệu suất đánh lửa 80 % Điện dung cuộn sơ cấp 0,7.10-6 F Điện dung cuộn thứ cấp 10-10 F Sau có thơng số đầu vào ta tiến hành mơ hình hóa vị trí như: đường ống nạp, q trình cháy sinh cơng Bằng việc thiết lập hàm tính tốn phần mềm Matlab/ Simulink Hình Một khối Subsystem để tính tốn diện tích bướm ga Lưu lượng môi chất nạp vào tuỳ thuộc vào p0 thể cho áp suất môi trường, pm áp suất ống góp hút,  số nén đa biến trung bình khơng thể khơng kể đến diện tích thân bướm ga Aφ: diện tích thân bướm ga (m2), hàm vị trí bướm ga Vì Aφ tính phương trình sau: [10] 1 1  22    d  D   d 2  d  D   d cos(0 )   D d 2       A   1     1   sin 1     D    D cos(0  )   D              1   22    cos(    ) cos(  )  D d 0      sin 1 1      cos(0 ) D cos(     )         (10) 2.2 Mô hình hóa mơ đường ống nạp Hình Mơ hình hóa đường ống nạp Trong khối mơ hình hóa đường ống nạp chứa nhiều khối (Subsystem) nhỏ, khối SubSystem nhỏ hàm, khối cơng thức, khối tính tốn Việc liên kết khối thực đường nối line nối lại với chúng có mối liên hệ tốn học thơng số như: thể tích cơng tác xy lanh, nhiệt độ đường ống nạp, đường kính bướm ga, đường kính trụ ga,… Hình Khối Subsystem mơ hình hóa đường ống nạp Khối lượng khơng khí qua cánh bướm ga mơ hình hóa cụ thể hình 3, với thơng số đầu vào góc mở cánh bướm ga, áp suất đường ống góp nạp, áp suất khí trời Luan van 72 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Sau mơ hình hóa mơ đường ống nạp với hàm tính tốn Matlab/ Simulink ta có khối lượng khí nạp vào động dùng hệ thống đánh lửa Laser hệ thống đánh lửa cưỡng hình xy lanh động cơ, khối lượng khơng khí tính tốn dựa vào khối Mơ hình hóa đường ống nạp tính trước Góc quay trục khuỷu động thơng số đầu vào Đầu mô men thị động Hiệu số mô men thị mô men ma sát mơ men có ích Lượng nhiệt truyền yếu tố mà ta quan tâm, lượng nhiệt truyền cho chi tiết thành xy lanh nhiều ảnh hưởng đến kỳ cháy tiếp theo, chịu ảnh hưởng chuỗi thơng số đầu vào như: Áp suất lòng xy lanh, nhiệt độ thành xy lanh, nhiệt độ khối khí cháy, diện tích bề mặt buồng đốt mơ hình hóa hàm Fcn Matlab Hình Khối lượng khí nạp LIS SIS Khối lượng khí nạp vào động có giá trị tăng dần theo tuyến tính tăng số vịng quay trục khuỷu động cơ, nghĩa tăng số vòng quay trục khuỷu bướm ga phải mở lớn, bướm ga mở lớn lượng gió vào xy lanh nhiều Từ đồ thị hình 4, tốc độ số vòng quay trục khuỷu vị trí góc bướm ga khối lượng khơng khí nạp vào động dùng hệ thống đánh lửa Laser ln lớn khối lượng khơng khí nạp vào xy lanh dùng hệ thống đánh lửa cưỡng, chứng tỏ điều rằng: trình nạp động dùng hệ thống đánh lửa Laser tối ưu hơn, lượng khơng khí nạp nhiều nên hiệu suất nạp lớn Sở dĩ, điều xảy hệ thống đánh lửa Laser hịa khí cháy triệt để, hịa khí cháy triệt để thải nên khơng cịn lượng khí sót chiếm chổ không gian buồng đốt Như vậy, khối lượng nạp vào xy lanh đánh giá phần đầu công suất động cơ, việc cải tiến hệ thống đánh lửa góp phần ảnh hưởng đến lượng khí nạp Hình Mơ hình lượng nhiệt truyền thành xy lanh Năng lượng đánh lửa phần nói lên hiệu cháy động cơ, lượng đủ lớn trình cháy diễn hồn hảo, hịa khí cháy hồn tồn sinh cơng lớn, gây nhiễm mơi trường Năng lượng đánh lửa hệ thống đánh lửa cưỡng phụ thuộc nhiều vào yếu tố, đặc biệt q trình ngắt dịng điện cuộn sơ cấp thời gian tăng trưởng dòng điện thứ cấp, thời gian ngậm điện “dwell” 2.3 Mơ hình hóa mơ q trình cháy Q trình cháy xây dựng nhiều yếu tố, tức xây dựng hàm tốn học có tính chất liên hệ với dựa lý thuyết cháy động đốt Sơ đồ khối trình cháy với thơng số đầu vào khối lượng khơng khí nạp vào Hình Năng lượng đánh lửa động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) Luan van Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Năng lượng đánh lửa hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) đạt giá trị bão hịa khoảng 100,08 [mJ] Vì lượng tăng từ từ nên nên có độ trễ, xe chạy tốc độ cao lượng khơng đủ lớn, q trình tăng trưởng dịng thứ cấp không đáp ứng với tốc độ động Đối với hệ thống đánh lửa Laser (LIS) lượng khơng phụ thuộc vào dịng điện ngắt q trình tăng trưởng dịng điện thứ cấp Năng lượng Laser phụ thuộc vào IB ngưỡng mật độ lượng phân rã (Breakdown power density threshold) ngưỡng lượng để tạo tia Laser EB 73 hoàn hảo, khơng gây nhiễm mơi trường, tính chất ưu việc động dùng hệ thống đánh lửa Laser Khối lượng khí cháy buồng đốt (MFB – Mass Fraction Burn) thông số để đánh giá lượng tia lửa mạnh hay yếu q trình cháy diễn buồng đốt có hồn hảo hay khơng Hình Khối lượng khí cháy (MFB) dùng LIS SIS Hình Năng lượng đánh lửa động dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) Năng lượng đánh lửa động dùng hệ thống đánh lửa Laser có biên dạng đường cong Hypebol, thời gian nhỏ lượng đánh lửa cao, cụ thể nhìn vào đồ thị vị trí thời gian 0.001 ms, lượng tia lửa khoảng 5100 [mJ], lớn nhiều so với hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) Nghĩa là, thời gian đáp ứng tia lửa nhạy, độ trễ thời gian Sở dĩ, lượng tia lửa giảm dần theo thời gian tượng mát lượng photon xạ Xét mức độ nhạy tia lửa, khơng có trễ, hệ thống đánh lửa Laser đáp ứng tốt Khi lượng tia lửa lớn khơng có độ trễ hiệu cháy cao, cơng suất động tăng, q trình cháy diễn Khối lượng khí cháy MFB (Mass Fraction Burn) động dùng hệ thống đánh lửa Laser hệ thống đánh lửa cưỡng ta có nhận xét sau: Biên dạng khối lượng khí cháy MFB đường cong hình chữ S (S Shaped curves), phù hợp với sở lý thuyết, hàm mũ Khối lượng khí cháy MFB dùng hệ thống đánh lửa Laser lớn khối lượng khí cháy MFB dùng hệ thống đánh lửa cưỡng Cụ thể góc quay 80 độ độ tăng khối lượng khí cháy hai hệ thống 0,08 gam Chứng tỏ điều rằng: chất lượng cháy buồng đốt động dùng hệ thống đánh lửa Laser tốt, khơng cịn lượng khí sót chống chổ buồng đốt nên hiệu nạp cao Công suất động yếu tố nhà sản xuất, nhà cải tạo động quan tâm Vì cơng suất ảnh hưởng đến đặc tính động mạnh hay yếu Như vậy, thông số thiếu việc cải tiến động Luan van 74 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đánh giá đặc tính động cơ, đặc trưng cho khả sức mạnh động Hình Cơng suất động dùng LIS SIS Nhìn vào hình ta thấy cơng suất động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng nhỏ so với công suất động dùng hệ thống đánh lửa Laser Khi tốc độ động tăng 1000 vịng/phút chênh lệch ngày rõ rệt Công suất động dùng hệ thống đánh lửa Laser đáp ứng với chế độ hoạt động động cơ, kỹ thuật điều khiển tia Laser dễ dàng so với kỹ thuật điều khiển tia lửa bu – gi Ở hệ thống đánh lửa cưỡng có “độ trễ” tốc độ cao, cần có tăng trưởng dịng điện thứ cấp bơ bin có cản trở chi tiết hệ thống đánh lửa cưỡng bức, cụ thể điện trở cuộn dây quấn bô bin Độ trễ yếu tố gây cơng suất động không đạt tối ưu tốc độ cao Công suất động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng đạt giá trị cực đại khoảng 10 kW số vịng quay 6500 vịng/phút Cịn cơng suất cực đại động dùng hệ thống đánh lửa Laser đạt giá trị khoảng 12,5 kW số vòng quay 7500 vòng/phút Khoảng giá trị cực đại công suất dùng hai loại hệ thống đánh lửa dao động khoảng từ 6500 vòng/phút đến 7500 vòng/phút Động sử dụng hệ thống đánh lửa Laser có cơng suất tăng gấp 1,25 lần so với động sử dụng hệ thống đánh đánh lửa cưỡng điều thể tính ưu việt động dùng hệ thống đánh lửa Laser Thông số mô men thông số quan trọng việc Hình 10 Mơ men động dùng LIS SIS Khi tốc độ động bắt đầu tăng lên có phân hóa rõ rệt mô men, cụ thể tốc độ lớn 1000 vịng/phút Mơ men động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) đạt giá trị cực đại với giá trị khoảng N.m số vòng quay 4200 vòng/phút Còn động dùng hệ thống đánh lửa Laser mơ men đạt cực với giá trị 10,5 N.m số vòng quay 5000 vòng/phút Suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) thông số mà nhà sản xuất, chế tạo, cải tiến động quan tâm, thơng số để đánh giá tính hiệu kinh tế, thơng số mà sau cải tiến bỏ qua Suất tiêu hao nhiên liệu động cịn nói lên khả tiết kiệm nhiên liệu động Thông thường tơ, xe máy thơng số tính tốn tiêu hao nhiên liệu theo quãng đường nghĩa cho xe chạy địa hình đường thực tế từ tính lượng tiêu hao theo 100 km Hình 11 Suất tiêu hao nhiên liệu động dùng LIS SIS Luan van Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Nhìn vào hình 11 ta thấy tốc độ động tăng lên suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng lớn so với động dùng hệ thống đánh lửa Laser Đặc biệt, từ tốc độ trục khuỷu động lớn 7000 vịng/phút suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hai loại đánh lửa phân hóa rõ rệt Sở dĩ, suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng lớn trình nạp nên hịa khí cháy khơng triệt để sản sinh lượng dư nhiên liệu, công suất thấp tiêu hao nhiên liệu lại tăng, điều không mong muốn 75 cưỡng cần thiết, xu thế giới cải tiến động can thiệp vào kết cấu động Việc cải tiến chất lượng cháy thông qua cải tiến hiệu đánh lửa Đó cải tiến khơng can thiệp vào kết cấu động cơ, dùng hệ thống đánh lửa Laser lựa chọn phù hợp để nâng cao đặc tính động xăng Ngày nay, với xu nghiên cứu hệ thống đánh lửa (hệ thống đánh lửa lai, hệ thống đánh lửa siêu tụ hệ thống đánh lửa Laser) trào lưu cho nhà nghiên cứu, sản xuất, chế tạo tơ Từ đồ thị đặc tính động (công suất, mô men, suất tiêu hao nhiên liệu) dùng hai loại hệ thống đánh lửa khác ta thấy: tốc độ vòng quay trục khuỷu tăng lên cơng suất mơ men động dùng hệ thống đánh lửa Laser lớn hơn, điều chứng tỏ đặc tính động dùng hệ thống đánh lửa Laser tốt, suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hệ thống đánh lửa Laser nhỏ hơn, chứng tỏ dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) tiết kiệm nhiên liệu, phát thải ô nhiễm môi trường, hiệu tính kinh tế Bài báo mơ hình hóa mơ phỏng, so sánh đặc tính, thơng số khác động dùng hệ thống đánh lửa Laser hệ thống đánh lửa cưỡng cách khoa học, nhiên việc chọn thông số để mô dựa vào lý thuyết Sau mô thông số yêu cầu đầu tối ưu phù hợp Qua đây, ta thấy đồ thị đặc tính như: cơng suất, mơ men, suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) tối ưu, đáp ứng với mong muốn việc mô Cụ thể, công suất mô men động dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) cao so với hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) Còn suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) động dùng hệ thống đánh lửa Laser (LIS) nhỏ so với động dùng hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) Bên cạnh đó, khối lượng khơng khí nạp vào xy lanh động cơ, lượng đánh lửa hệ thống đánh lửa Laser (LIS) cao so với hệ thống đánh lửa cưỡng (SIS) Chứng tỏ điều việc chọn hệ thống đánh lửa Laser tối ưu cho động đốt trong, hệ thống đánh lửa hệ thứ 05 nhất, có tính chất ưu việt LỜI CẢM ƠN Q trình mơ tính tốn đựợc suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hệ thống đánh lửa Laser tối ưu tốc độ Suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ tốt, nói lên động tiết kiệm nhiên liệu Ở vận tốc kinh tế (tại vị trí suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất) giá trị suất tiêu hao nhiên liệu động dùng hệ thống đánh lửa Laser nhỏ, chứng tỏ việc cải tiến tối ưu Tỷ lệ giá trị suất tiêu hao nhiên liệu LIS SIS giảm khoảng 0,857 lần KẾT LUẬN Như vậy, việc tìm hiểu nghiên cứu mơ hình hóa mô động dùng hệ thống đánh lửa Laser so sánh với động dùng hệ thống đánh lửa Trong trình thực nghiên cứu này, tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Lạc Hồng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật tài trợ kinh phí Luan van 76 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 57 (04/2020) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mullett, J D., Carroll, S., Dearden, G., Shenton, A T., Watkins, K G., Triantos, G and Keen, Laser ignition of an IC test engine using an Nd:YAG laser and the effect of key laser parameters on engine combustion performance, Product Engineering & Manufacturing Volume 3, 2005, pp 104-111 [2] O Yasar, Plasma Modeling of Ignition for Combustion Simulations, Parallel Computing, 27, pp.1, 2001 [3] Liedl, G., Schuöcker, D., Geringer, B., Graf, J., Klawatsch, D., Lenz, H P., Piock, W F., Jetzinger, M and Kapus, Laser induced ignition of gasoline direct injection enegine, Proc SPIE, Vol 5777, 2005, pp 955-960 [4] Geoff Dearden and Tom Shenton, Laser ignited engines: progress, challenges and prospects, C) 21, pp 1125, November 2013 [5] Nathan Peters, Investigation of the multi physics of laser-induced ignition of transportation fuels Dissertations, Syracuse University, 2017 [6] Akshita Puli, J Jagadesh Kumar, Laser Ignition System for I C Engines, © IJSRSET Volume 2, Issue 5, pp 2394-4099, 2016 [7] Heywood, Internal Combustion Engine Fundamental, Gc Graw-Hill, 1998 [8] Nathan Peters, Investigation of the multi-physics of laser-induced ignition of transportation fuels, Syracuse University, June 2017 [9] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, Điện động điều khiển động cơ, trang130, NXB Đại học Quốc Gia, 2013 [10] Moskwa, Automotive Engine Modeling for Real Time Control, Ph.D thesis, Massachusetts Institute of Technology, pp 45-71, 1988 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Đỗ Tấn Thích Trường Đại học Lạc Hồng Email: dotanthich@lhu.edu.vn Luan van S K L 0 Luan van ... trung vào hệ thống đánh lửa laser, mô phỏng, đánh giá nhận xét hệ thống đánh lửa laser có ưu điểm hệ thống đánh lửa trước Bài báo nói lên hệ thống đánh lửa laser đề xuất cho hệ thống đánh lửa thay... khái quát hệ thống đánh lửa trước dùng động đốt trong, từ nêu nhược điểm hệ thống đánh lửa hệ trước đề xuất nghiên cứu hệ thống đánh lửa kiểu – hệ thống đánh lửa laser Nhóm nghiên cứu đưa công... điểm hệ thống đánh lửa laser so với hệ thống đánh lửa truyền thống, hiệu cháy động dùng hệ thống đánh lửa laser cao vị trí đặt tia laser vị trí buồng đốt cố định hệ thống đánh lửa truyền thống Nghiên