Tia laser đã được đưa vào thảo luận và là một lựa chọn đầy hứa hẹn cho việc áp dụng vào hệ thống đánh lửa động cơ từ giữa những năm 70 của thế kỷ trước. Bộ đánh lửa bằng tia laser hứa hẹn ít gây ô nhiễm hơn và có hiệu suất nhiên liệu hiệu quả hơn, tuy nhiên để sản xuất hệ thống đánh lửa bằng tia laser với kích thước nhỏ, mạnh mẽ đang gặp rất nhiều khó khăn. Để nhiên liệu bắt lửa, tia laser phải tập trung ánh sáng tới xấp xỉ 100 gigawat trên 1cm2 với xung ngắn lớn hơn 10 millijoules (đơn vị đo Newton) mỗi bước sóng.
ĐỀ TÀI ĐÁNH LỬA BẰNG TIA LASER (LASER IGNTION) Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC HƯNG HUỲNH TRUNG HIẾU I.Động xăng bugi đánh lửa từ kỷ thứ XIX, động đốt xăng bắt đầu phát minh ứng dụng Cũng thời điểm - Kể bugi gắn liền với động xăng - Trong động bugi đóng vai trò phận phát tia lửa để đốt cháy cưỡng hòa khí hòa khí bị nén lại cuối nén - Cấu tạo bugi - Nguyên lý làm việc bugi Dù hệ thống điều khiển đánh lửa phát triển đến mức cao, nguyên lý tạo nên tia lửa bugi khơng đổi Nguồn cấp dòng điện qua cuộn sơ cấp, dòng qua cn sơ cấp đóng ngắt để tạo dòng điện cảm ứng cuộn thứ cấp Dòng điện cảm ứng tác dụng điện áp cảm ứng cao (12 đến 14 nghìn V), phóng qua hai điện cực bugi tạo tia lửa đốt cháy hòa khí - Thời điểm bugi phát tia lửa thường nằm trước điểm chết để có đủ thời gian đốt cháy hết nhiên liệu hòa khí khơng thay đổi ngun lý hoạt động, cơng nghệ chế tạo bugi có nhiều phát triển để tăng tuổi thọ - Tuy tăng chất lượng tia lửa II Sự cần thiết phải thay bugi điện bugi laser Sự phát triển động xăng thời gian gần dẫn tới kết phải tăng tý số nén - Tăng tý số nén giúp đốt nhiên lệu hơn, tạo khí thải độc hại, tiết kiệm nhiên liệu Nhiên liệu sinh học thay xăng, khó cháy hơn, cần có tỷ số nén cao Tỷ số nén cao động cỡ 14:1 thuộc động Mazda Nếu tỷ số nén tăng thêm bugi điện hoạt động khơng hiệu bị ăn mòn điện cực nhanh Thiết bị phát tia laser “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 III Nguyên lý cấu tạo hệ thống đánh lửa laser 1.Lý thuyết tia laser - Laser chùm sáng có cường độ mạnh phát nhờ tượng phát xạ cảm ứng (hay gọi phát xạ cưỡng bức) ε= = hf - Tia lazer có tính định hướng, tính đơn sắc, tính kết hợp cao có cường độ lớn hc 2.Nguyên lý tạo tia laser Cấu tạo chế hoạt động laser 1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích) 2) Nguồn ni (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, chất đặc biệt có khả khuyếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng công hưởng có mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuếc đại lên nhiều lần 3.Cấu tạo chung hệ thống đánh lửa laser Sơ đồ tổng quát 1.Nguồn Bộ phân phối Bộ phát tia laser 1.Nguồn cho laser pin độc lập, accu 2.Bộ phân phối phân phối ánh sáng kích thích tới phát laser 3.Bộ phát tia laser tạo tia laser đánh lửa 4.Cấu tạo nguyên lý hoạt động phát laser động Ánh sáng kích thích từ phân phối tới phát laser qua buồng cộng hưởng, buồng cộng hưởng khuyếch đại ánh sáng tới thành chùm tia laser Chùm tia laser qua tạo sung Q-switch, sau qua hai gương cầu để tạo thành tia laser tập trung có đủ lượng cho đánh lửa IV Các ưu điểm hệ thống đánh lửa laser việc có khả làm việc lâu dài với động có tỷ số nén cao, đánh lửa tia laser có nhiều ưu - Ngồi điểm so với đánh lửa tia lửa điện + Giúp khí thải +Thời gian phát tia laser tính nano giây (tia lửa điện micro giây) Biểu đồ tăng trưởng lượng theo thời gian tia lửa điện tia laser + Có thể thay đổi độ sâu đánh lửa - Tia laser thực đánh lửa đa điểm tối đa điểm V Quá trình nghiên cứu, hội, thách thức khả phát triển tương lai Quá trình nghiên cứu Các ý tưởng ứng dụng laser để đốt cháy nhiên liệu đề xuất từ lâu năm 1963, 1978 Nhưng phải tới năm 2000 nghiên cứu đánh lửa laser mói quan tâm nghiên cứu nhiều trường đại học viện nghiên cứu giới 2 Cơ hội thách thức - Năng lượng đánh lửa tối thiểu tia laser Tuy tia laser có lượng lớn đốt tốt nhiên liệu lượng lớn gây nhiệt buồng đốt, gây kích nổ Để giải vấn đề này, năm 2011 nhà nghiên cứu Nhật Bản tạo phát tia laser bột gốm có mức tập trung lượng 100 GW/Cm , xung ngắn với lượng xung lớn 10 mJ - Cách triển khai lượng laser + Nguồn cách phân phối tia laser: Hệ thống phân phối dùng Q-swith, cáp quang tạo tia laser gắn đầu xy lanh có khả cung cấp điều khiển tia laser đắt nên khó khả thi +Ngõ tia laser bị mờ khí xả - Tia laser gây hư hại cho bề mặt chi tiết - Tần số sung laser thờ gian đánh lửa Trong trình nghiên cứu cho thấy, tốc độ động khác tần số tia laser phải phác để đàm bảo thời gian đánh lửa phù hợp - Đảm bảo an toàn cho người sử dụng bảo hành sửa chữa Cách xác định điểm đánh lửa Đánh lửa laser thay đổi độ sâu điểm đánh lửa, đánh lửa đa điểm nhiên vị trí - xác phải dựa vào việc nhiên liệu phun đâu - Có thể phân tích khí xả nhờ quang phổ thu chiếu laser 3 Khả phát triển tương lai Những đặc điểm sau ý nhiều trình nghiên cứu tới - Giúp thiết kế động theo cách tốt Bộ phát tia laser không cần chếm chỗ buồng đốt tạo điểm đánh lửa vị trí khác Từ piston lên gần đỉnh xy lanh hơn, nhờ tăng tỷ số nén mà không cần tăng thể tích xy lanh - Điều khiển chủ động vị trí đánh lửa khác khiển thời điểm đánh lửa tạm thời Với đánh lửa laser điều khiển số lần đánh lửa kỳ cháy thời gian - Điều đánh lửa - Cơ hội để có thêm cảm biến phản hồii thơng số q trình cháy: nhiệt độ, thành phần khí xả VI Kết luận nâng cấp thiết bị đánh lửa cần thiết, đánh lửa laser cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội thay cho - Việc bugi truyền thống Tuy việc chế tạo hệ thống đánh lửa laser nhều khó khăn phải khắc phục, q trình chế tạo giai đoạn thử nghiệm Nhưng đề tài nhiều người nghiên cứu ô tô quan tâm thời gian tới ... đủ lượng cho đánh lửa IV Các ưu điểm hệ thống đánh lửa laser việc có khả làm việc lâu dài với động có tỷ số nén cao, đánh lửa tia laser có nhiều ưu - Ngồi điểm so với đánh lửa tia lửa điện + Giúp... Kết luận nâng cấp thiết bị đánh lửa cần thiết, đánh lửa laser cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội thay cho - Việc bugi truyền thống Tuy việc chế tạo hệ thống đánh lửa laser nhều khó khăn phải khắc... định điểm đánh lửa Đánh lửa laser thay đổi độ sâu điểm đánh lửa, đánh lửa đa điểm nhiên vị trí - xác phải dựa vào việc nhiên liệu phun đâu - Có thể phân tích khí xả nhờ quang phổ thu chiếu laser