hệ thống đánh lửa bằng laser

Đ TÀI Ề
ĐÁNH L A B NG TIA LASERỬ Ằ
(LASER IGNTION)
I.Động cơ xăng và bugi đánh lửa.
-
Kể từ giữa thế kỷ thứ XIX, động cơ đốt trong xăng bắt đầu được
phát minh và ứng dụng. Cũng tại thời điểm đó cho đến nay bugi
đã gắn liền với động cơ xăng.
- Trong động cơ bugi đóng vai trò là bộ phận phát ra tia lửa để đốt
cháy cưỡng bức hòa khí khi hòa khí bị nén lại ở cuối thì nén.
-
Cấu tạo cơ bản của bugi.
-
Nguyên lý làm việc cơ bản của bugi.

Dù hệ thống điều khiển đánh lửa đã phát triển đến mức rất cao, nhưng nguyên lý
tạo nên tia lửa ở bugi vẫn không đổi. Nguồn cấp dòng điện qua cuộn sơ cấp,
dòng qua cuôn sơ cấp được đóng ngắt để tạo dòng điện cảm ứng trong cuộn thứ
cấp. Dòng điện cảm ứng dưới tác dụng của điện áp cảm ứng rất cao (12 đến 14
nghìn V), sẽ phóng qua hai điện cực bugi tạo ra tia lửa đốt cháy hòa khí.
- Thời điểm bugi phát tia lửa thường nằm trước điểm chết trên để
có đủ thời gian đốt cháy hết nhiên liệu trong hòa khí.
-
Tuy không thay đổi nguyên lý hoạt động, nhưng công nghệ chế tạo
bugi đã có nhiều phát triển để tăng tuổi thọ cũng như tăng chất
lượng tia lửa.

II. Sự cần thiết phải thay thế bugi điện bằng bugi
laser.
Sự phát triển của động cơ xăng trong thời gian gần đây dẫn tới kết
quả là phải tăng tý số nén.

-
Tăng tý số nén sẽ giúp đốt nhiên lệu sạch hơn, ít tạo ra ít khí thải
độc hại, tiết kiệm nhiên liệu.
-
Nhiên liệu sinh học có thể thay thế xăng, nhưng khó cháy hơn,
cần có tỷ số nén cao hơn.
Tỷ số nén cao nhất của động cơ hiện nay cỡ 14:1 thuộc về động cơ
Mazda. Nếu tỷ số nén tăng thêm thì bugi điện sẽ hoạt động không
hiệu quả vì bị ăn mòn điện cực quá nhanh.
“Assuming replacement every 500 hours, this is $16,000 per
year just in spark plug costs, compared to approximately
$10,000 for the laser diode array. The usual advertised lifetime
for laser diodes is over 10,000 hours, and, since the duty factor
is 10 to 20 percent, they can potentially last for much longer.”
Theo tạp chí Photonics Spectra
Thiết bị phát tia laser
III Nguyên lý và cấu tạo của hệ thống đánh lửa laser.
1.Lý thuyết về tia laser.
- Laser là một chùm sáng có cường độ mạnh được phát ra nhờ
hiện tượng phát xạ cảm ứng (hay còn gọi là phát xạ cưỡng bức).
ε= = hf
- Tia lazer có tính định hướng, tính đơn sắc, và tính kết hợp cao và
có cường độ lớn.
hc

2.Nguyên lý t o tia laser.ạ
Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser.
1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)
2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)
3) gương phản xạ toàn phần

4)gương bán mạ.
5) tia laser
- Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả
năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi
1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác
bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng công hưởng
có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay
tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các
hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ
photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếc đại lên nhiều lần.
3.Cấu tạo chung của hệ thống đánh lửa laser.
Sơ đồ tổng quát.
1.Nguồn. 2. Bộ phân phối. 3. Bộ phát tia laser.
1.Nguồn cho laser là một pin độc lập, hoặc accu.
2.Bộ phân phối sẽ phân phối ánh sáng kích thích tới bộ phát laser.
3.Bộ phát tia laser tạo ra tia laser đánh lửa.
1
2
3
4.C u t o và nguyên lý ho t đ ng b phát laser trên đ ng c .ấ ạ ạ ộ ộ ộ ơ
Ánh sáng kích thích t b phân ph i t i b phát laser s đi ừ ộ ố ớ ộ ẽ
qua bu ng c ng h ng, bu ng c ng h ng khuy ch đ i ánh ồ ộ ưở ồ ộ ưở ế ạ
sáng t i thành chùm tia laser. Chùm tia laser đ u tiên s đi ớ ầ ẽ
qua b t o sung Q-switch, sau đó đi qua hai g ng c u đ ộ ạ ươ ầ ể
t o thành tia laser t p trung có đ năng l ng cho đánh l a.ạ ậ ủ ượ ử
IV. Các ưu điểm của hệ thống đánh lửa laser.
-
Ngoài việc có khả năng làm việc lâu dài với động cơ có tỷ số nén
cao, đánh lửa bằng tia laser còn có nhiều ưu điểm so với đánh
lửa bằng tia lửa điện.

+ Giúp khí thải sạch hơn.
+Thời gian phát tia laser tính bằng nano giây (tia lửa điện là micro
giây).
Biểu đồ tăng trưởng năng lượng theo thời gian của tia lửa điện và tia laser.
+ Có thể thay đổi độ sâu đánh lửa.
- Tia laser có thể thực hiện đánh lửa đa điểm tối đa là 3 điểm.
V. Quá trình nghiên cứu, cơ hội, thách thức và khả năng phát triển
trong tương lai.
1. Quá trình nghiên cứu.
Các ý tưởng đầu tiên về ứng dụng laser để đốt cháy nhiên liệu đã
được đề xuất từ khá lâu năm 1963, 1978. Nhưng phải tới những năm
2000 các nghiên cứu về đánh lửa laser mói được quan tâm và được
nghiên cứu tại nhiều trường đại học và các viện nghiên cứu trên thế
giới.
2. Cơ hội và thách thức.
- Năng lượng đánh lửa tối thiểu của tia laser. Tuy tia laser có năng
lượng lớn có thể đốt tốt nhiên liệu nhưng năng lượng quá lớn sẽ gây
ra quá nhiệt buồng đốt, gây kích nổ. Để giải quyết vấn đề này, năm
2011 các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã tạo ra bộ phát tia laser bằng
bột gốm có mức tập trung năng lượng 100 GW/Cm2 , xung ngắn với
năng lượng mỗi xung lớn hơn 10 mJ.
-
Cách triển khai năng lượng laser.
+ Nguồn và cách phân phối tia laser: Hệ thống phân phối dùng Q-
swith, cáp quang và bộ tạo tia laser gắn trên đầu mỗi xy lanh tuy có
khả năng cung cấp và điều khiển được tia laser nhưng quá đắt nên
khó khả thi.
+Ngõ ra của tia laser bị mờ do khí xả .
-
Tia laser có thể gây hư hại cho bề mặt chi tiết.

- Tần số của sung laser và thờ gian đánh lửa. Trong quá trình nghiên
cứu cho thấy, ở các tốc độ động cơ khác nhau tần số tia laser phải
phác nhau để đàm bảo thời gian đánh lửa phù hợp.
-
Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và bảo hành sửa chữa.
-
Cách xác định điểm đánh lửa. Đánh lửa laser có thể thay đổi độ sâu
điểm đánh lửa, đánh lửa đa điểm tuy nhiên vị trí chính xác thì phải
dựa vào việc nhiên liệu được phun ra ở đâu.
-
Có thể phân tích khí xả nhờ quang phổ thu được khi chiếu laser.
3. Khả năng phát triển trong tương lai.
Những đặc điểm sau đây sẽ được chú ý nhiều trong quá trình nghiên
cứu sắp tới.
- Giúp thiết kế động cơ theo cách tốt nhất. Bộ phát tia laser không cần
chếm chỗ trong buồng đốt nhưng có thể tạo ra điểm đánh lửa ở các vị
trí khác nhau. Từ đó piston có thể đi lên gần đỉnh xy lanh hơn, nhờ đó
có thể tăng tỷ số nén mà không cần tăng thể tích xy lanh.
-
Điều khiển chủ động các vị trí đánh lửa khác nhau.
-
Điều khiển thời điểm đánh lửa tạm thời. Với đánh lửa laser có thể
điều khiển số lần đánh lửa ở kỳ cháy và thời gian đánh lửa.
-
Cơ hội để có thêm cảm biến phản hồii các thông số của quá trình
cháy: nhiệt độ, các thành phần của khí xả.
VI. Kết luận.
-
Việc nâng cấp thiết bị đánh lửa là cần thiết, đánh lửa laser cũng đã
cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội có thể thay thế cho bugi truyền

thống. Tuy việc chế tạo hệ thống đánh lửa laser còn nhều khó khăn
phải khắc phục, quá trình chế tạo vẫn đang ở trong giai đoạn thử
nghiệm. Nhưng đây sẽ vẫn là một đề tài được nhiều người nghiên
cứu về ô tô quan tâm trong thời gian tới.