CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm
Ngoài ba trạng thái vật chất là rắn, lỏng và khí, còn có một trạng thái thứ tư gọi là plasma Plasma là trạng thái vật chất mà khí bị ion hóa, dẫn đến khả năng dẫn điện cao, cho phép điện trường và từ trường tác động mạnh mẽ đến hoạt động của vật chất.
Nhà nghiên cứu từ tập đoàn Federal-Mogul đang phát triển bu-gi mới phát ra tia chớp plasma, giúp đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn trong buồng đốt Bu-gi plasma này kích thích các phân tử hòa khí, giải phóng điện tử và tạo ra ion Sự kết hợp của các ion trái dấu sẽ tạo ra phản ứng cháy mạnh mẽ, nâng cao hiệu suất động cơ.
Federal-Mogul đã phát triển thành công nguyên mẫu bu-gi plasma và hiện tại có 10 công ty sản xuất ô tô đang thử nghiệm thiết bị Advanced Corona Ignition System (ACIS), thiết bị này tạo ra dòng điện cao tầng cường độ mạnh để kích hoạt bu-gi plasma.
Bu-gi tia lửa điện, hay bu-gi hồ quang điện, đã được sử dụng phổ biến trong động cơ xăng suốt hơn 100 năm qua Thiết bị này tạo ra một tia hồ quang ngắn khoảng 1 mm giữa hai điện cực Ngược lại, bu-gi plasma có khả năng tạo ra nhiều tia plasma dài 25 mm, giúp đốt cháy hòa khí hiệu quả hơn và nhanh chóng hơn.
The study on transient plasma ignition explores the mechanisms and applications of plasma in ignition processes This research focuses on understanding how transient plasma can enhance ignition efficiency in various systems By analyzing the interactions between plasma and fuel, the study aims to optimize combustion processes and reduce emissions The findings could lead to advancements in energy technology and improved performance in engines and industrial applications Overall, the research highlights the potential of transient plasma as a transformative tool in ignition technology.
Hình 2.1: Hệ thống đánh lửa plasma và hệ thống đánh lửa tia lửa điện
Ưu điểm của hệ thống đánh lửa plasma
Bu-gi truyền thống tạo ra mồi lửa bằng cách phóng dòng điện cao áp qua hai điện cực, khiến quá trình cháy lan dần ra từ vị trí phóng điện Khi cháy diễn ra, áp suất khí tăng lên, đẩy pít-tông đi xuống trong kỳ cháy giãn nở ACIS tạo ra nguồn châm cháy rộng dưới dạng plasma khí, nơi mà nguyên tử và phân tử mất đi hầu hết electron.
Quá trình ion hóa trong buồng đốt kích thích hỗn hợp hòa khí, dẫn đến việc bắt lửa và tăng tốc độ cháy lan rộng Nhiệt độ plasma rất cao cho phép ngay cả hỗn hợp nghèo nhiên liệu cũng dễ dàng cháy, từ đó tạo ra hiệu suất nhiên liệu tối ưu và giúp động cơ hoạt động sạch hơn.
Theo Federal-Mogul những ưu điểm của ACIS là:
Giảm tiêu hao nhiên liệu lên đến 10% bằng cách sử dụng khí thoát bổ sung vào không khí trước khi vào buồng đốt Phương pháp này tạo ra hỗn hợp hòa khí nghèo oxy và nhiên liệu, giúp giảm lượng khí thải.
The study on transient plasma ignition explores the mechanisms and applications of plasma technology in ignition processes This research aims to enhance efficiency and performance in various fields, including energy generation and propulsion systems By investigating the transient characteristics of plasma, the study provides insights into optimizing ignition methods and improving overall system functionality The findings contribute to advancements in both theoretical understanding and practical implementations of plasma ignition technologies.
4 thải CO 2 và NO 2 , 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 có thời gian tồn tại ngắn nhưng mạnh mẽ, chỉ cần từ 100 đến 200 micro giây để tạo ra tia lửa, trong khi bu-gi truyền thống cần tới 2 hoặc 3 mili giây.
Rút ngắn góc đánh lửa sớm hơn hay chậm hơn 5 độ
Với khả năng phóng nhanh và đốt nhanh của tia plasma, ACIS tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống đánh lửa, mang lại hiệu suất tối đa cho động cơ.
Ngoài việc lắp ráp bộ cung cấp điện cao tần mạnh mẽ thay cho bô bin hiện tại, cần điều chỉnh đường kính vị trí gắn bu-gi từ 14 mm sang kích thước mới.
12 mm, cấu trúc động cơ xăng hiện tại hoàn toàn phù hợp để sử dụng bu-gi plasma.
Phương pháp đánh lửa plasma
Phương pháp Plasma Ignition thay thế cách đánh lửa truyền thống bằng bu-gi bằng cách sử dụng một thiết bị module để tạo ra chùm tia plasma với nhiệt độ cao Ngoài ra, có thể tiếp tục sử dụng bu-gi nhưng kết hợp với tụ điện hoặc hệ thống đánh lửa Ionfire để điều chỉnh ngọn lửa Phương pháp này giúp tăng cường hiệu suất cháy và hạn chế tình trạng nhiên liệu cháy không sạch.
Hệ thống đánh lửa tiêu chuẩn có thể chỉ đạt hiệu suất chuyển đổi công suất thành tia lửa điện ở mức 0,01%, điều này phổ biến ở hầu hết các động cơ chạy bằng xăng trên toàn cầu Tuy nhiên, việc ứng dụng tụ điện trong hệ thống này có thể cải thiện hiệu suất đáng kể.
The study on transient plasma ignition explores the dynamics and mechanisms involved in the ignition process using transient plasma technology This research aims to enhance our understanding of plasma behavior and its applications in ignition systems By investigating the transient characteristics of plasma, the study seeks to improve ignition efficiency and reduce emissions in various energy systems The findings could lead to advancements in combustion technologies, contributing to more sustainable energy solutions.
Chuyển đổi công suất đánh lửa tiêu chuẩn thành tia lửa điện giúp nâng cao hiệu quả lên đến 50% Việc điều chỉnh Bugi tạo ra nhiều chùm tia lửa điện (tia plasma) mạnh mẽ, nhưng cần thận trọng vì nếu lạm dụng, chân bu-gi có thể bị nóng chảy do vật liệu thiết kế không chịu được nhiệt độ cao Hệ quả của việc này có thể dẫn đến cháy xupap và cháy miệng piston Để thực hiện, người ta mắc nối tiếp 3 tụ 220pf/15kV, và nếu muốn tăng cường tia lửa, cần mắc song song thêm 3-4 dàn tụ Tuy nhiên, khi mắc đến chuỗi thứ 4, bugi sẽ 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 NO x giống như
Nhiệt tỏa ra ít hơn giúp cải thiện hiệu suất nhiệt phanh, giảm lượng khí thải CO và NOx, đồng thời tăng khả năng vận hành nhiều tuần hoàn khí thải.
Hệ thống mới chỉ được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne trên động cơ Cummins I6 Mặc dù hệ thống đánh lửa TPS có khả năng đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu không khí với tỷ lệ 25:1, lượng không khí dư thừa vẫn gây khó khăn trong việc kiểm soát khí thải Do đó, để áp dụng phương pháp này, cần phải pha loãng hỗn hợp hòa khí có chứa nhiều khí trơ dư thừa.
The study on transient plasma ignition explores the mechanisms and applications of plasma technology in ignition processes It highlights the significance of transient plasma in enhancing ignition efficiency and reducing emissions The research focuses on the characteristics of plasma discharges and their impact on combustion dynamics Key findings suggest that optimizing plasma parameters can lead to improved performance in various ignition systems This study contributes valuable insights into the future of energy generation and environmental sustainability through advanced plasma applications.
Hình 2.3.2.1: Low-Temp Plasma Ignition
Bộ đánh lửa Plasma TPS giúp giảm mất mát công suất động cơ và tăng cường sức mạnh Quá trình đốt cháy diễn ra nhanh hơn, cho phép giảm lượng tia lửa trước, từ đó tạo ra áp suất kỳ nổ cao hơn khi piston di chuyển lên trong xi lanh Hệ thống này thay thế cuộn dây và bu-gi đánh lửa, giúp tiết kiệm nhiên liệu từ 10 đến 15% Tuy nhiên, cần nhiều nghiên cứu hơn để cải thiện độ tin cậy của hệ thống này, vì hiện tại vẫn chưa được xác thực chính thống Các plasma Plugs không thể chịu được lõi điện trở, do đó cần lớp cách điện bổ sung để ngăn nhiễu sóng vô tuyến, điều mà bu-gi hiện tại đã có lớp gốm sứ cách điện.
The study on transient plasma ignition explores the mechanisms and effects of plasma on ignition processes This research aims to enhance understanding of plasma behavior in various applications, particularly in combustion systems By analyzing transient plasma phenomena, the study seeks to improve ignition efficiency and reduce emissions The findings could lead to advancements in energy technologies and contribute to cleaner combustion solutions.
Hình 2.3.2.2: So sánh hệ thống tuần hoàn khí thải giữa TPS và Spark
Ionfire là bộ khuếch đại tia lửa điện áp cao DC xung, phù hợp với mọi hệ thống đánh lửa ô tô hiện đại.
Tia lửa điện trong bu-gi là một tia plasma mỏng, được hình thành từ các phân tử không khí ion hóa quanh các điện cực Tia lửa này thường có dòng điện cực đại khoảng 200 miliampe Hệ thống Ionfire bao gồm một module điều khiển năng lượng, tạo ra xung dòng điện cao lên đến 135 ampe qua khe hở tia lửa mỗi khi có điện áp cao đi qua các bu-gi.
Hệ thống này khuếch đại năng lượng tia lửa ban đầu từ 12 đến 25 watt thành tia lửa có công suất cực đại qua khe hở tia lửa điện, đạt mức megawatts Nó tương thích với bất kỳ hộp CDI (Đánh lửa kiểm soát bằng tụ điện) nào, cho phép tăng cường hiệu suất hoạt động.
The study on transient plasma ignition explores the mechanisms and applications of plasma technology in ignition processes This research delves into the transient behaviors of plasma, aiming to enhance ignition efficiency and reliability By analyzing various ignition scenarios, the study provides insights into optimizing plasma parameters for improved performance The findings contribute to advancements in fields such as energy generation and propulsion systems, highlighting the potential of transient plasma in innovative ignition solutions.
Ionfire Plasma giúp tăng mã lực và công suất, lý tưởng cho xe đua, xe cơ bắp và xe sử dụng nhiên liệu CNG Sự khác biệt của sản phẩm này nằm ở việc chất lượng chùm tia lửa và số lượng tia lửa tăng lên khi số vòng quay động cơ cao Để đạt hiệu quả tối ưu với phương pháp đánh lửa này, động cơ cần hoạt động ở mức tối thiểu 3000 RPM.
Hình 2.3.3.1: Hệ thống Ionfire Plasma Ignition
Hình 2.3.3.2: Sơ đồ lắp đặt dây hệ thống Ionfire Ignition