CHƯƠNG 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 Trang 1 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2019-24TĐ 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 Trang 2 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2019-24TĐ 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
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.
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 Trang 3 Luan van Đề tài NCKH cấp Trường Trọng điểm MS: T2019-24TĐ 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.