Chuyên đề hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT TH NH PHỐ HỒ CH MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER
TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: PGS.TS. LÝ VĨNH ĐẠT
SVTH: PHẠM NGỌC TÍN
MSSV: 14145294
SVTH: NGUYỄN THÀNH TÂM
MSSV: 14145249

Tp. Hồ Ch Minh, tháng 07 năm 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUÂT TH NH PHỐ HỒ CH MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER
TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: PGS.TS. LÝ VĨNH ĐẠT
SVTH: PHẠM NGỌC TÍN
MSSV: 14145294
SVTH: NGUYỄN THÀNH TÂM
MSSV: 14145249

Tp. Hồ Ch Minh, tháng 07 năm 2018


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HỒ CHÍ MINH

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
TP. Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 7 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: 1.
2.

Phạm Ngọc Tín

MSSV: 14145294

Nguyễn Thành Tâm

MSSV: 14145249

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô

Mã ngành đào tạo: 05

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Mã hệ đào tạo: 1

Khóa: 2014-2018

Lớp: 141451

Chuyên đề hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt trong
1. Nhiệm vụ đề tài
- Phân t ch đặc điểm, cấu tạo nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm hệ thống
đánh lửa laser trên động cơ đốt trong
- Nghiên cứu một số ứng dụng hệ thống đánh lửa laser trên các hãng xe ô tô
2. Sản phẩm của đề tài
- 01 thuyết minh đề tài về hệ thống đánh lửa laser
- File mềm toàn độ thuyết minh đồ án (word, powerpoint…)
3. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 3/2018
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 7/2018

TRƢỞNG BỘ MÔN

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

i


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
Tên đề tài: CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER

TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Họ và tên Sinh viên: PHẠM NGỌC TÍN
NGUYỄN THÀNH TÂM

MSSV: 14145294
MSSV: 14145249

Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬN XÉT
1. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
2. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
1. Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không): ..................................................................
2. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ....................................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)
ii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
Tên đề tài: CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER

TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Họ và tên Sinh viên: PHẠM NGỌC TÍN
NGUYỄN THÀNH TÂM

MSSV: 14145294
MSSV: 14145249

Ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật ơ tơ
I. NHẬN XÉT
3. Về hình thức trình bày & tính hợp lý của cấu trúc đề tài:

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
4. Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm và giá trị thực tiễn)

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
II. NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
III. ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ
3. Đề nghị (Cho phép bảo vệ hay không): ..................................................................
4. Điểm đánh giá (theo thang điểm 10): ....................................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
Giảng viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

iii


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HỒN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER

TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Họ và tên Sinh viên: PHẠM NGỌC TÍN
NGUYỄN THÀNH TÂM

MSSV: 14145294
MSSV: 14145249

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên
phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo về. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn
chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức.

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2018
iv


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô giáo
trong trường Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh nói chung và các thầy
giáo, cơ giáo trong Khoa Cơ Khí Động Lực nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt
cho chúng em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian 4 năm chúng
em học tại trường.
Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS. Lý Vĩnh Đạt,
thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, quan tâm hướng dẫn chúng em trong suốt quá
trình làm đồ án tốt nghiệp, giúp chúng em hoàn thành đúng thời hạn đề ra. Thầy đã đốc
thúc công việc của chúng em và sửa chữa thuyết minh của nhóm chúng em sao cho đúng
nội dung cũng như hình thức. Trong thời gian làm việc với thầy, chúng em không những
tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà cịn học tập được tinh thần làm việc, thái độ

nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả và t nh hịa đồng, đồn kết, nhân ái, sẻ chia
với thành viên nhóm, đây là những điều rất cần thiết cho chúng em trong quá trình học
tập và hịa nhập với cơng việc sau này.
Nhóm chúng em cũng xin cảm ơn các thầy phản biện đã đóng góp các ý kiến, phân
t ch để bổ sung, chỉnh sửa, hoàn thiện đồ án của chúng em.
Mặc dù chúng em đã cố gắng rất nhiều nhưng chắc chắn khơng thể tránh khỏi những
sai lầm, thiếu sót khơng mong muốn, chúng em mong nhận được những đóng góp ý kiến
từ quý thầy cô, bạn bè.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ... Tháng … năm 2018
Sinh viên thực hiện
PHẠM NGỌC TÍN

NGUYỄN THÀNH TÂM

v


LỜI NÓI ĐẦU
Khi xã hội ngày càng phát triển, các yêu cầu ngày càng cao về môi trường, sự tiêu
hao nhiên liệu đã khiến cho các nhà thiết kế ô tơ ln tìm cách để cải tiến, tăng hiệu suất
làm việc, giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và giảm mức độ độc hại trong khí xả động cơ.
Động cơ đốt trong là một ―cỗ máy‖ có nhiều hệ thống phụ trợ như hệ thống nhiên liệu, hệ
thống làm mát, hệ thống phân phối khí, hệ thống tăng áp... Riêng đối với động cơ xăng
thì hệ thống đánh lửa là một trong những hệ thống có ảnh hưởng lớn đến hoạt động cũng
như hiệu suất, độ phát thải kh độc hại trên ô tô. Do vậy, việc cải thiện đặc t nh đánh lửa
sẽ nâng cao được công suất và hiệu quả làm việc của động cơ.
Đề tài ―CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG‖ nghiên cứu dựa trên cơ sở các tài liệu về các hệ thống điện điện tử điều khiển
động cơ trình bày theo những nội dung chính sau: tổng quan các hệ thống đánh lửa trên ô

tô, những hạn chế của hệ thống đánh lửa hiện nay trên ô tô và sự cần thiết của hệ thống
đánh lửa laser. Giới thiệu hệ thống đánh lửa laser. Khảo sát hệ thống đánh lửa laser trên
động cơ, phân t ch đặc tính cơng suất, so sánh đặc t nh đánh lửa giữa hệ thống đánh lửa
laser và hệ thống đánh lửa hiện nay trên ô tô.

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP................................................................................................. i
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ......................................................................... ii
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN ........................................................................... iii
XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN ............................................................................................ iv
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................... vi
MỤC LỤC ......................................................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................................. xiv
CHƢƠNG 1: DẪN NHẬP ................................................................................................................ 1
1.1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................................. 1
1.2. Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn đề tài........................................................................... 1
1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................................... 2
1.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................................ 2
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA ....................................................... 3
2.1. Lịch sử phát triển của hệ thống đánh lửa ........................................................................ 3
2.2. Chức năng và công dụng của hệ thống đánh lửa ............................................................ 3
2.3. Phân loại hệ thống đánh lửa ............................................................................................... 4
2.4. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của hệ thống đánh lửa hiện nay và sự cần thiết của hệ thống
đánh lửa laser ..................................................................................................................... 16

2.4.1.

Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hệ thống đánh lửa hiện nay .................................. 16

2.4.2.

Sự cần thiết của hệ thống đánh lửa laser .............................................................. 20

CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER ....................................................................... 21
3.1. Định nghĩa laser.................................................................................................................. 21
3.2. Đặc tính của laser ............................................................................................................... 22
3.3. Phân loại tia laser ............................................................................................................... 25
3.4. Nguồn laser phù hợp cho hệ thống đánh lửa ................................................................. 30
3.5. Phƣơng pháp truyền tia laser........................................................................................... 32
3.5.1.

Truyền qua khơng khí .............................................................................................. 32

3.5.2.

Truyền tia sáng bằng cáp quang............................................................................. 33

3.6. Yêu cầu năng lƣợng đánh lửa .......................................................................................... 35
vii


CHƢƠNG 4: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER................... 40
4.1. Thiết lập thí nghiệm ........................................................................................................... 40
4.1.1.

Buồng đốt thể tích khơng đổi .................................................................................. 40

4.1.2.

Thiết lập bộ đánh lửa laser ...................................................................................... 41

4.1.3.

Thiết lập hệ thống đánh lửa bougie........................................................................ 42

4.1.4.

Phƣơng pháp chụp ảnh Schlieren .......................................................................... 43

4.1.5.

Thiết lập giao thoa kế ............................................................................................... 44

4.1.6.

Thiết lập phần cứng và phần mềm thu thập dữ liệu ........................................... 44

4.2. Kết quả thí nghiệm............................................................................................................. 45
4.2.1.

Hạt nhân ngọn lửa .................................................................................................... 45

4.2.2.

So sánh đánh lửa hỗn hợp xăng (iso-octan) và ethanol....................................... 46

4.3. Các thí nghiệm trên động cơ thực tế ............................................................................... 49
4.3.1.

Thí nghiệm của Dearden và Shenton tại trƣờng đại học Liverpool (UoL) ...... 49

4.3.2. Nghiên cứu trên động cơ Renault của INFLPR kết hợp với trung tâm kỹ thuật
của Renault ............................................................................................................................... 54
4.3.3. Nghiên cứu của Bogdan Done của trƣờng đại học POLITEHNICA ở
Bucharest................................................................................................................................... 56
4.4. Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống đánh lửa laser ................................................................. 58
4.4.1.

Ƣu điểm ...................................................................................................................... 58

4.4.2.

Nhƣợc điểm ................................................................................................................ 59

4.5. Định hƣớng phát triển trong tƣơng lai ........................................................................... 60
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 62
5.1. Kết luận................................................................................................................................ 62
5.2. Kiến nghị ............................................................................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 63

viii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Air – Fuel Ratio

Tỷ lệ hịa khí (khơng khí – nhiên liệu)

Brake Mean Effective Pressure

Áp suất trung bình có ích

BSI

Breakerless Semiconductor
Ignition

Hệ thống đánh lửa không sử dụng vít
lửa

CAD

Crankshaft Angle Degree

Góc quay trục khuỷu

CCV

Cycle – to – Cycle Variation

Sự biến thiên chu kỳ

CDI

Capacitor Discharged Ignition
System

Hệ thống đánh lửa điện dung

CFD

Computational Fluid Dynamics

Mô phỏng động lực học lưu chất

COVIMEP

Coefficients Of Variability of
Indicated Mean Effective
Pressure

Hệ số biến thiên áp suất trung bình
chỉ thị

COVPmax

Coefficients Of Variability of
Maximum Pressure

Hệ số biến thiên áp suất cực đại

ECU

Engine Control Unit

Bộ điều khiển động cơ

EGR

Exhaust Gas Recirculation

Hệ thống lưu hồi khí xả

ESA

Electronic Spark Advance

Hệ thống đánh lửa với bộ điều khiển
góc đánh lửa sớm bằng điện tử

FMC

Ford Motor Co.

Tập đoàn Ford Motor

GDI

Gasoline Direct Injection

Hệ thống phun xăng trực tiếp

IMEP

Indicated Mean Effective
Pressure

Áp suất trung bình chỉ thị

National Institute for Laser,
Plasma and Radiation Physics

Viện vật lý quốc gia về laser, plasma
và toả nhiệt

AFR
BMEP

INFLPR

ix


LED

Lighting Emision Diode

Diode phát quang

LIS

Laser Ignition System (Laser
Plug Igniton)

Hệ thống đánh lửa laser

MBT

Maximum Brake Torque

Momoen xoắn cực đại có ích

MFB

Mass fraction burn

Tỷ lệ khối lượng cháy

MIE

Minimum Ignition Energy

Năng lượng đánh lửa tối thiểu

MPE

Minimum Pulse Energy

Năng lượng xung tối thiểu

Nd:YAG

Neodymium: Ytterium
Aluminium Garnet

Hoạt chất Ytterium Aluminium
Garnet (YAG) pha thêm Neodymium

PFI

Port Fuel Injection

Phun nhiên liệu trên đường ống nạp

PPP

Peak Pressure Position

Vị trí áp suất cực đại

RTR

Renault Technologie Roumanie

Trung tâm kỹ thuật Roumanie của
Renault

SCE

Single Cylinder Engine

Động cơ một xylanh

SCR

Thyristor – Silicon Controlled
Rectifier

Chỉnh lưu có điều khiển – SCR

SI

Semiconductor Ignition

Hệ thống đánh lửa điện tử

SPI

Spark Plug Ignition

Hệ thống đánh lửa bougie thông
thường

TCI

Transistorized Coil Ignition

Hệ thống đánh lửa bán dẫn

TDC

Top Dead Center

Điểm chết trên

Transistorized Ignition System

Hệ thống đánh lửa điện cảm

TI

x


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống CDI ................................................................................ 5
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống đánh lửa Kettering ................................................................... 6
Hình 2.3. Mạch điều khiển SCR dùng cảm biến từ .......................................................... 7
Hình 2.4. Ngun lí hoạt động cảm biến trục cam .......................................................... 7
Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến quang .................................................................. 8
Hình 2.6. Cấu tạo bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm .................................................... 9
Hình 2.7. Cấu tạo bộ điều chỉnh góc đánh lửa chân khơng ......................................... 10
Hình 2.8. Hệ thống đánh lửa với bộ điều khiển góc đánh lửa sớm bằng điện tử (ESAElectronic Spark Advance) ............................................................................................ 11
Hình 2.9. Hệ thống đánh lửa magneto ......................................................................... 12
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đánh lửa ắc quy .................................................. 13
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống đánh lửa transistor ............................................................ 14
Hình 2.12. Bản đồ góc đánh lửa sớm .......................................................................... 15
Hình 2.13. Sơ đồ hệ thống đánh lửa trực tiếp ................................................................ 16
Hình 2.14. Ảnh hưởng của hình dạng buồng cháy và vị trí đặt bougie đến tốc độ tăng áp

suất trong xylanh .......................................................................................................... 17
Hình 2.15. a) Ảnh hưởng của tỷ lệ hịa khí đối với nồng độ HC, CO và NO trong khí xả
của động cơ đánh lửa thơng thường. b) Ảnh hưởng của tỷ lệ hịa khí đối với nồng độ NO
và NO2 trong khí xả của động cơ đánh lửa thơng thường, 1500 vịng/phút, bướm ga mở
rộng. .............................................................................................................................. 18
Hình 3.1. Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser. ............................................. 21
Hình 3.2. Các loại laser ............................................................................................... 22
Hình 3.3. Nguồn sáng thơng thường (sóng ánh sáng khơng kết hợp) ............................. 23
Hình 3.4. Nguồn sáng laser (sóng ánh sáng kết hợp) .................................................... 23
Hình 3.5. Tính định hướng của chùm sáng thông thường và chùm tia laser .................. 24
Hình 3.6. Bước sóng của các loại laser phân bố trên dãy quang phổ ............................ 26
Hình 3.7. Ảnh thực tế của laser Ruby ........................................................................... 27
Hình 3.8. Cấu tạo và hình ảnh chụp thực tế của Laser khí He – Ne............................... 28
xi


Hình 3.9. Sơ đồ cấu tạo của laser Oxygen – iodine ...................................................... 29
Hình 3.10. Cấu tạo chi tiết và hình ảnh thực tế của laser bán dẫn ................................ 30
Hình 3.11. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn ............................. 31
Hình 3.12. Các lớp của một PIN diode .......................................................................... 31
Hình 3.13. Kích thước điểm giới hạn nhiễu xạ ở thấu kính hội tụ đối với chùm tia song
song .............................................................................................................................. 32
Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống truyền tia laser bằng cáp quang .......................................... 33
Hình 3.15. a) Cấu tạo sợi cáp quang. b) Sợi cáp loại đơn mode (kích thước lõi khoảng
9 ). c) Sợi cáp loại đa mode (kích thước lõi thường được chọn là 50
và 62,5
....
...................................................................................................................................... 35
Hình 3.16. Ảnh Schlieren của ngọn lửa tự duy trì và ngọn lửa bị dập tắt ..................... 36
Hình 3.17. Năng lượng xung và năng lượng đánh lửa laser của xăng và E85, tiêu cự f =

15 cm, p = 1 atm, và T =300 K ..................................................................................... 37
Hình 3.18. Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt của xăng và E85, p = 1 atm, T = 300 K ............... 38
Hình 3.19. Tốc độ cháy của xăng và E85, p = 1 atm, T = 300 K ................................... 39
Hình 4.1. Buồng đốt thể tích khơng đổi ......................................................................... 40
Hình 4.2. Thiết lập thí nghiệm nghiên cứu đánh lửa laser ............................................. 41
Hình 4.3. Sơ đồ thiết lập bộ đánh lửa laser ................................................................... 42
Hình 4.4. Sơ đồ hệ thống đánh lửa bougie .................................................................... 42
Hình 4.5. Đầu gá bougie ............................................................................................... 43
Hình 4.6. Phương pháp chụp ảnh Schlieren .................................................................. 43
Hình 4.7. Giao thoa kế Mach-Zehnder .......................................................................... 44
Hình 4.8. Ảnh giao thoa của hệ thống đánh lửa laser và quá trình đánh lửa bougie ở giai
đoạn đầu và giai đoạn cuối (trên). Biểu đồ đường đồng mức thể hiện nhiệt độ của tia lửa,
được thể hiện qua chỉ số thang màu (dưới) ................................................................... 45
Hình 4.9. Ảnh schlieren của ngọn lửa được đốt bởi bougie thông thường và laser của
nhiên liệu E85, với T = 300 K, p = 1 atm. ..................................................................... 47
Hình 4.10. Sự phát triển kích thước theo thời gian của hạt nhân ngọn lửa được xác định
bằng khoảng cách của cạnh dưới và tâm tia lửa ........................................................... 47

xii


Hình 4.11. Đồ thị so sánh bán kính lan truyền ngọn lửa của xăng được đốt bởi bougie
laser (đỏ) và bougie thơng thường (xanh) đối với tỷ lệ hịa khí lý tưởng (đường liền) và
nghèo (đường nét đứt), T = 300K, p = 1 atm ................................................................. 48
Hình 4.12. Đồ thị so sánh bán kính lan truyền ngọn lửa của E85 được đốt bởi bougie
laser (đỏ) và bougie thông thường (xanh) đối với tỷ lệ hịa khí lý tưởng (đường liền) và
nghèo (đường nét đứt), T = 300K, p = 1 atm ................................................................. 49
Hình 4.13. Sơ đồ hệ thống đánh lửa laser trên động cơ xăng 4 xylanh, hệ thống phun
nhiên liệu PFI được phát triển ở UoL ........................................................................... 50
Hình 4.14 Ảnh chụp hệ thống LIS của UoL, như mô tả trong hình 4.13: (a) Laser và

đường truyền quang. (b) Động cơ được gắn thấu kính để dẫn chùm tia laser vào buồng
đốt. (c) Cửa sổ quang học được tháo ra sau khi thử nghiệm động cơ đánh lửa laser...... 51
Hình 4.15 Đồ thị so sánh sự biến thiên của COVIMEP đối với LIS và SPI: (a) trên phạm vi
thời điểm đánh lửa tại tốc độ 1500rpm, BMEP = 2,62 bar trên động cơ xylanh đơn GDI;
(b) trên phạm vi tải ở tốc độ 1500rpm, và thời điểm đánh lửa với MBT trên động cơ
xylanh đơn GDI (hỗn hợp lý tưởng, λ = 1, trong cả hai trường hợp) ............................. 52
Hình 4.16 (a) Đồ thị đường cong tỷ lệ khối lượng cháy đối với LIS và SPI ở tốc độ
1500rpm, BMEP = 2,62 bar, λ = 1, với thời điểm đánh lửa của LIS và SPI ở 36 trước
điểm chết trên; (b) Đồ thị so sánh sự biến thiên của COVIMEP đối với LIS và SPI ở các
thời điểm góc đánh lửa tại tốc độ 1500rpm, BMEP = 2,62 bar trên động cơ xylanh đơn
GDI. .............................................................................................................................. 52
Hình 4.17 (a) Bougie laser nguyên khối, sử dụng môi trường Nd:YAG/Cr4+:YAG được
liên kết khuếch đại so với bougie thông thường. (b) Ảnh mặt cắt ngang của bougie laser ..
...................................................................................................................................... 54
Hình 4.18 (a) Hệ thống 4 bougie laser trước khi lắp vào động cơ. (b) Tia lửa được tạo ra
bởi bougie thông thường và tia plasma được tạo ra bởi bougie laser. (c) Động cơ Renault
được chụp trong khi đang hoạt động với bougie laser. .................................................. 55
Hình 4.19. Sơ đồ bố trí thí nghiệm của Bogdan Done. .................................................. 57
Hình 4.20 Đồ thị áp suất trong quá trình cháy của động cơ sử dụng hệ thống SPI và LIS
.. .................................................................................................................................... 58
Hình 4.21. Đồ thị tốc độ nhiệt tỏa ra đối với LIS và SPI. .............................................. 58
Hình 4.22. Đồ thị nhiệt tỏa ra (Heat release law) đối với LIS và SPI ............................ 59

xiii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. So sánh lượng khí thải sinh ra và độ ổn định của động cơ sử dụng hệ thống
đánh lửa laser so với hệ thống đánh lửa bougie thông thường. ...................................... 56

xiv


CHƢƠNG 1: DẪN NHẬP
1.1.

Lý do chọn đề tài

Động cơ đốt trong là nguồn động lực đóng một vai trị quan trọng trong vận chuyển
và sản xuất. Các động cơ đã được cải tiến liên tục để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất,
tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa đã thay đổi rất ít trong
hơn 100 năm qua. Một bougie với hai điện cực đặt gần nhau, khi đặt một điện áp cao vào
hai cực bougie sẽ xuất hiện tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu - khơng khí. Hệ
thống đánh lửa hiện nay bị giới hạn bởi khả năng đốt cháy hỗn hợp hịa khí nghèo. Vị trí
đặt bougie cố định ở đỉnh buồng đốt, các điện cực nhô ra làm xáo trộn luồng khí nạp và
có thể dập tắt hạt lửa. Điện áp đánh lửa lớn sẽ làm mau mòn điện cực và làm giảm tuổi
thọ của bougie.
Cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp ô tô, hệ thống đánh lửa đã
không ngừng được cải tiến, ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là
sự ra đời của hệ thống đánh lửa laser nhằm mục đ ch hoàn thiện sự hoạt động của động
cơ. Như vậy việc tìm hiểu về hệ thống đánh lửa laser để tìm ra các ưu và nhược điểm của
hệ thống đánh lửa này là một việc làm rất cần thiết nhằm tiếp cận với những hệ thống
đánh lửa hiện đại. Đó là lý do để chúng em thực hiện để tài: “Chuyên Đề Hệ Thống
Đánh Lửa Laser Trên Động Cơ Đốt Trong”.
Như đã nói ở trên việc thực hiện để tài này nhằm mục đ ch: Phân t ch đặc điểm, cấu
tạo, nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt
trong. Nghiên cứu một số ứng dụng hệ thống đánh lửa laser trên động cơ của các hãng xe
ô tô.
1.2.

Đối tƣợng nghiên cứu và giới hạn đề tài
 Đối tƣợng nghiên cứu

Đề tài “Chuyên Đề Hệ Thống Đánh Lửa Laser Trên Động Cơ Đốt Trong” thực
hiện các công việc sau:
 Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống đánh lửa laser.
 Nghiên cứu hệ thống đánh lửa laser trên động cơ của các hãng xe ô tô.
 So sánh điểm nổi trội của hệ thống đánh lửa laser so với hệ thống đánh lửa hiện nay.
 Giới hạn đề tài
Do thời gian có hạn nên chúng em chỉ thực hiện nghiên cứu trên các cơng trình
nghiên cứu đã có về hệ thống đánh lửa laser.

1


1.3.

Phƣơng pháp nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em đã sử dụng một số phương pháp nghiên
cứu:
 Phương pháp thu thập các tài liệu liên quan đến hệ thống đánh lửa và đánh lửa laser từ
nhiều nguồn khác nhau như: Internet, tạp chí khoa học, giáo trình, sách...
 Phương pháp biên dịch tài liệu.
 Phương pháp phân t ch, tổng hợp và tham khảo ý kiến của các chuyên gia để tìm ra
hướng nghiên cứu và giải quyết vấn đề.
1.4.

Nội dung nghiên cứu

Đề tài ―Chuyên Đề Hệ Thống Đánh Lửa Laser Trên Động Cơ Đốt Trong‖ trình
bày theo những nội dung chính sau:
Chương 1: Dẫn nhập.
Trình bày lý do chọn đề tài, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu.
Chương 2: Tổng quan hệ thống đánh lửa.
Giới thiệu tổng quan các hệ thống đánh lửa trên ô tô, những hạn chế của hệ thống
đánh lửa hiện nay trên ô tô và sự cần thiết của hệ thống đánh lửa laser.
Chương 3: Hệ thống đánh lửa laser.
Giới thiệu hệ thống đánh lửa laser. Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ
thống đánh lửa này.
Chương 4: Một số nghiên cứu về hệ thống đánh lửa laser
Khảo sát hệ thống đánh lửa laser trên động cơ, phân t ch đặc tính cơng suất, so sánh
đặc t nh đánh lửa giữa hệ thống đánh lửa laser và hệ thống đánh lửa hiện nay trên ô tô.
Chương 5: Kết luận và đề nghị.

2


CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
2.1.

Lịch sử phát triển của hệ thống đánh lửa

Sự ra đời của hệ thống đánh lửa gắn liền với sự ra đời của động cơ đốt trong, đánh
dấu bước khởi đầu của nền công nghiệp ô tô. Ban đầu động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa
bằng cơng tắc tiếp xúc (vít lửa). Nhược điểm của hệ thống này là điều khiển thời điểm
đánh lửa khơng chính xác, kết cấu cơ kh nên phải bảo dưỡng thường xuyên.
Năm 1964 hệ thống đánh lửa điện dung CDI (Capacitor Discharge Ignition) được
nghiên cứu và ứng dụng trên xe.
Với yêu cầu ngày càng cao về mơi trường và tính kinh tế, năm 1978 các nhà khoa

học đã phát minh ra hệ thống đánh lửa bán dẫn TCI (Transistorized Coil Ignition), sự
phát triển tiếp theo của hệ thống đánh lửa CDI.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lần lượt cho ra đời hệ thống đánh lửa điện tử
SI (Semiconductor Ignition) và hệ thống đánh lửa khơng vít lửa BSI (Breakerless
Semiconductor Ignition).
Năm 1979 hãng BOSH cho ra đời hệ thống điều khiển động cơ Motronic với sự tích
hợp điều khiển nhiều hệ thống như điều khiển thời điểm đánh lửa, điều khiển phun nhiên
liệu, điều khiển tốc độ khơng tải và tự chẩn đốn. Điều này giúp quá trình điều khiển
động cơ linh hoạt và độ ch nh xác cao hơn, tăng t nh kinh tế nhiên liệu đồng thời giảm ô
nhiễm môi trường.
2.2.

Chức năng và công dụng của hệ thống đánh lửa

Hệ thống đánh lửa trên ơ tơ có nhiệm vụ biến dịng điện một chiều có điện áp
thành dịng điện cao áp
và tạo ra tia lửa điện trên
bougie để đốt cháy hỗn hợp hồ khí (khơng khí – nhiên liệu) trong xylanh ở cuối kỳ nén.
Nhiệm vụ đó địi hỏi hệ thống đánh lửa phải đảm bảo được các yêu cầu chính sau:
 Tạo ra điện áp đủ lớn (
từ nguồn điện áp một chiều (6 V 12 V hoặc
24V).
 Tia lửa điện phóng qua khe hở giữa hai cực của bougie trong điều kiện áp suất lớn,
nhiệt cao phải đủ mạnh để để đốt cháy hỗn hợp hịa khí ở mọi chế độ.
 Thời điểm phát tia lửa trên bougie trong từng xylanh phải đúng theo góc đánh lửa và
thứ tự đánh lửa quy định.
 Hệ thống đánh lửa phải có độ tin cậy cao, chịu được rung động và nhiệt độ cao.

3

2.3.

Phân loại hệ thống đánh lửa

Ngày nay, hệ thống đánh lửa được trang bị trên động cơ ơ tơ có rất nhiều loại khác
nhau. Dựa vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển, lịch sử phát triển,
người ta chia hệ thống đánh lửa thành các loại sau:
a) Phân loại theo phƣơng pháp tích lũy năng lƣợng
-

Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI - Transistorized Ignition System).

Hệ thống đánh lửa điện cảm (TI) sẽ được trình bày ở phần ―Hệ thống đánh lửa thế hệ
thứ 2”.
-

Hệ thống đánh lửa điện dung (CDI - Capacitor Discharged Ignition System).
 Sơ đồ và nguyên lý làm việc hệ thống đánh lửa điện dung

Hệ thống đánh lửa điện dung hiện nay thường được sử dụng trên xe thể thao, xe đua,
động cơ Wankel và trên xe gắn gắn máy.
Đối với hệ thống đánh lửa điện dung, năng lượng trong mạch sơ cấp của bô bin được
t ch lũy dưới dạng điện trường chứa trong tụ C:
(2.1)
Trong đó:
C là điện dung của tụ điện (F)
U là điện áp trên tụ điện (V)
Thông thường tụ C có giá trị nằm trong khoảng 0,5 ’ 3μF, vì theo t nh tốn và thực
nghiệm, nếu điện dung của tụ C lớn thì khi tốc độ cao sẽ không đủ thời gian để tụ C được

nạp đầy. Cịn nếu điện dung nhỏ thì sẽ ảnh hưởng đến năng lượng đánh lửa. Hiệu điện thế
nạp trên tụ thường nhỏ hơn 400V vì nếu lớn hơn sẽ gây ra hiện tượng rị điện ở mạch thứ
cấp trong bơ bin.
Q trình t ch lũy năng lượng trong tụ điện được thực hiện ở dạng xung liên tục.
Trong trường hợp năng lượng t ch lũy ở dạng xung, tụ điện được nạp bởi các xung điện
một chiều trong thời gian trước lúc đánh lửa. Trong trường hợp còn lại, năng lượng tích
lũy trong tụ nhờ những xung điện một chiều biến thiên trong suốt thời gian giữa hai lần
đánh lửa [1].

4


Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống CDI
Khi SCR ngắt, tụ điện
được nạp nhờ bộ chuyển đổi DC. Khi có tín hiệu đánh lửa,
tín hiệu này chuyển đến mạch điều khiển để kích cực SCR. Lúc này SCR chuyển sang
trạng thái dẫn. Từ đó, năng lượng được t ch lũy trên tụ điện sẽ được phóng qua cuộn sơ
cấp của bơ bin đánh đánh lửa. Sự biến thiên dịng điện đột ngột trên cuộn sơ cấp sẽ cảm
ứng lên cuộn thứ cấp một suất điện động cao áp đưa tới bougie đánh lửa.
o Ƣu và nhƣợc điểm của hệ thống đánh lửa điện dung
Qua phân tích hoạt động và các đặc t nh đặc trưng của hệ thống đánh lửa điện dung,
ta thấy hệ thống có các ưu điểm sau:
-

Đặc tính của hệ thống đánh lửa gần như khơng phụ thuộc vào tốc độ động cơ vì thời
gian nạp điện rất ngắn do tụ điện đã được chọn sao cho ở tốc độ cao nhất, tụ điện vẫn
nạp đầy giữa hai lần đánh lửa.

-

Hiệu điện thế thứ cấp, tăng trưởng nhanh nên tăng được độ nhạy đánh lửa, không phụ
thuộc vào điện trở rò trên bougie.

-

Tuy nhiên, do thời gian xuất hiện tia lửa ở bougie ngắn (0,3 ÷ 0,4 ms) nên trong một
điều kiện nhất định nào đó của hịa khí trong buồng đốt có thể tia lửa khơng đốt cháy
được hịa khí. Vì vậy, đối với thệ thống đánh lửa CDI phải sử dụng bougie với khe hở
điện cực lớn để tăng diện tích tiếp xúc của tia lửa nên bougie sẽ rất mau mòn [1].
b) Phân loại theo phƣơng pháp điều khiển cảm biến.

-

Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa.

Từ năm 1914, các nhà sản xuất ô tô đã sử dụng hệ thống đánh lửa Kettering hay đánh
lửa điện cảm gồm cuộn dây đánh lửa và vít lửa điều khiển bằng cam. Hình 2.2 là sơ đồ
hệ thống đánh lửa kiểu Kettering.
5


Khi cơng tắc đánh lửa SW1 đóng lại và cam hoạt động làm tiếp điểm SW2 đóng lại,
dịng điện tạo ra từ thông qua cuộn sơ cấp P của cuộn dây đánh lửa T. Giá trị cực đại của
dòng điện được giới hạn bởi điện trở của cuộn sơ cấp. Khi cam quay, tiếp điểm SW2 bị
tách ra bởi đỉnh cam, làm ngắt dòng sơ cấp sinh ra suất điện động tự cảm. Suất điện động
này được nạp vào tụ CC nên sẽ dập tắt tia lửa trên vít. Tụ CC đóng vai trị gia tăng tốc độ
biến thiên của từ thông, tức nâng cao hiệu điện thế cuộn thứ cấp. Dịng phóng của tụ điện
ngược chiều với dịng tự cảm khiến từ thông bị triệt tiêu đột ngột trong cuộn sơ cấp. Khi
đó, từ thơng đi qua cuộn thứ cấp do dòng sơ cấp gây nên sẽ mất đi đột ngột, làm xuất
hiện một suất điện động cao áp trên cuộn thứ cấp S. Điện áp cuộn thứ cấp quan hệ trực

tiếp tới điện áp cuộn sơ cấp theo tỷ lệ số vòng dây trên cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp.

Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống đánh lửa Kettering
Điệp áp cao gây ra tia lửa phóng qua khe hở giữa rotor R và nắp bộ chia điện theo
dây cao áp đến các bougie đánh lửa theo thứ tự kỳ nổ của động cơ. Điện áp thứ cấp đạt
đến giá trị đánh lửa thì bougie sẽ xuất hiện tia lửa đốt cháy hỗn hợp trong xylanh.
-

Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến điện từ.

Cảm biến điện từ loại nam châm đứng yên tạo ra xung k ch có biên độ rất thấp ở tốc
độ khởi động (khoảng 1,2V). Vì vậy chúng ta cần khuếch đại tín hiệu này mới đủ dịng
k ch cho SCR. Để khuếch đại tín hiệu này, đơn giản nhất là ta đệm chúng bằng điện áp
một chiều và mạch đệm này được giải thích theo nguyên lý cộng điện áp.

6


Khi cảm biến điện từ quay tạo ra xung điện, điện áp của xung điện này cộng với điện
áp của cầu phân áp tạo ra một điện áp đủ lớn để kích cho SCR dẫn.

Hình 2.3. Mạch điều khiển SCR dùng cảm biến từ
-

Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa theo hiệu ứng Hall. Khi có nguồn cung cấp
đến IC Hall và có từ trường của nam châm đi qua IC Hall thì IC Hall sẽ tạo ra điện áp.

Hình 2.4. Nguyên lí hoạt động cảm biến trục cam.

Khi cánh chắn ra khỏi khe hở giữa IC Hall và nam chân vĩnh cửu, từ trường sẽ xuyên
qua khe hở tác dụng lên IC Hall làm xuất hiện điện áp điều khiển Tr1 (Tr2) làm cho Tr1
(Tr2) dẫn. Khi cánh chắn đi vào khe hở giữa nam châm và IC Hall tín hiệu điện áp từ IC
7


Hall mất làm Tr1 (Tr2) ngắt. Như vậy, Cảm biến Hall sẽ tạo ra xung vng. Nhờ đó,
ECU có thể nhận biết được vị trí trục cam và tốc độ động cơ. Với tín hiệu nhận được này,
ECU sẽ gửi tín hiệu đến bộ chấp hành để điều khiển thời điểm đánh lửa và thời gian phun
nhiên liệu.
-

Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang.

Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến quang
Phần tử phát quang (LED – Lighting Emision Diode) và phần tử cảm quang (photo
transistor hoặc photo diode) được đặt đối diện nhau. Phần tử cảm quang này khi có ánh
sáng chiếu vào, nó sẽ dẫn điện và ngược lại, khi không ánh sáng chiếu vào, nó sẽ khơng
dẫn điện. Độ dẫn điện của chúng phụ thuộc vào cường độ dòng ánh sáng và hiệu điện thế
giữa hai đầu của phần tử cảm quang. Đĩa cảm biến được gắn vào trục của delco và có số
rãnh tương ứng với số xylanh động cơ. Khi đĩa cảm biến quay, dòng ánh sáng phát ra từ
LED sẽ bị ngắt quãng làm phần tử cảm quang dẫn ngắt liên tục, tạo ra các xung vng
dùng làm tín hiệu điều khiển đánh lửa.
c)
-

Phân loại theo cách phân bố điện cao áp.

Hệ thống đánh lửa có bộ chia điện.
Hệ thống đánh lửa trực tiếp hay khơng có bộ chia điện.

d) Phân loại theo phƣơng pháp điều khiển góc đánh lửa sớm.

-

Hệ thống đánh lửa với cơ cấu điều khiển góc đánh lửa sớm bằng cơ kh .

8


 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm.
Tên gọi đầy đủ là bộ điều chỉnh góc đánh lửa sớm theo số vòng quay kiểu ly tâm. Bộ
điều chỉnh này làm việc tự động tùy thuộc vào tốc độ động cơ.

1 Giá đỡ quả văng
2 Cam
3 Vấu quả văng
4 Quả văng
5 Giá đỡ đĩa cam
6 Trục rotor

Hình 2.6. Cấu tạo bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm
Về cấu tạo, bộ điều chỉnh góc đánh lửa ly tâm (hình 2.6) gồm: giá đỡ quả văng được
lắp chặt với trục của bộ chia điện; hai quả văng được lắp trên giá và có thể xoay quanh
chốt quay của quả văng, đồng thời cũng là giá móc lị xo; các lị xo một đầu móc vào chốt
cịn đầu kia móc vào giá trên quả văng và luôn luôn kéo quả văng về phía trục. Trên mỗi
quả văng có một chốt và qua hai chốt này bộ điều chỉnh ly tâm được gài vào hai rãnh trên
thanh ngang của phần cam [1].
 Bộ điều chỉnh góc đánh lửa chân khơng.
Bộ điều chỉnh góc đánh lửa chân khơng cịn có tên gọi đầy đủ là bộ điều chỉnh góc
đánh lửa sớm theo phụ tải động cơ, kiểu chân không. Cơ cấu này cũng làm việc tự động

tùy thuộc vào mức tải động cơ.

9