DẪN NHẬP
Lý do chọn đề tài
Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển và sản xuất, với sự cải tiến liên tục nhằm nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải Tuy nhiên, hệ thống đánh lửa vẫn chưa có nhiều thay đổi trong hơn 100 năm qua Bougie với hai điện cực gần nhau tạo ra tia lửa điện khi áp dụng điện áp cao, giúp đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu - không khí Hệ thống hiện tại gặp khó khăn trong việc đốt cháy hỗn hợp hòa khí nghèo do vị trí cố định của bougie ở đỉnh buồng đốt, nơi các điện cực có thể làm xáo trộn luồng khí nạp và dập tắt hạt lửa Việc sử dụng điện áp đánh lửa cao cũng dẫn đến sự mau mòn của điện cực, giảm tuổi thọ của bougie.
Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp ô tô, hệ thống đánh lửa đã được cải tiến liên tục, đặc biệt với sự ra đời của hệ thống đánh lửa laser nhằm tối ưu hóa hiệu suất động cơ Việc nghiên cứu hệ thống đánh lửa laser để xác định các ưu và nhược điểm của nó là cần thiết để tiếp cận các công nghệ hiện đại trong lĩnh vực này Do đó, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Chuyên Đề Hệ Thống Đánh Lửa Laser Trên Động Cơ Đốt Trong”.
Mục đích của bài viết này là phân tích đặc điểm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như ưu và nhược điểm của hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt trong Bên cạnh đó, bài viết cũng nghiên cứu một số ứng dụng của hệ thống đánh lửa laser trong động cơ của các hãng xe ô tô.
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
Do thời gian có hạn nên chúng em chỉ thực hiện nghiên cứu trên các công trình nghiên cứu đã có về hệ thống đánh lửa laser
Phương 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 tài liệu liên quan đến hệ thống đánh lửa và đánh lửa laser bao gồm việc khai thác nhiều nguồn khác nhau như Internet, tạp chí khoa học, giáo trình và 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.
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:
Trình bày lý do chọn đề tài, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
Chương 2: Tổng quan hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa trên ô tô đóng vai trò quan trọng trong quá trình khởi động và vận hành động cơ Tuy nhiên, các hệ thống hiện tại vẫn gặp nhiều hạn chế như hiệu suất không tối ưu và tiêu tốn nhiên liệu Do đó, việc phát triển hệ thống đánh lửa laser trở nên cần thiết, hứa hẹn mang lại hiệu quả cao hơn, giảm khí thải và tiết kiệm nhiên liệu.
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 đã chỉ ra những đặc tính công suất nổi bật, đồng thời so sánh hiệu suất đánh lửa giữa hệ thống này và các hệ thống đánh lửa hiện tại trên ô tô Chương 5 sẽ đưa ra kết luận và đề xuất các hướng đi tiềm năng cho việc cải tiến công nghệ đánh lửa trong tương lai.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA
Lịch sử phát triển của hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa ra đời cùng với động cơ đốt trong, đánh dấu khởi đầu của ngành công nghiệp ô tô Ban đầu, động cơ sử dụng hệ thống đánh lửa bằng công tắc tiếp xúc (vít lửa), nhưng hệ thống này có nhược điểm là không điều khiển được thời điểm đánh lửa chính xác và cần bảo dưỡng thường xuyên do cấu trúc cơ khí phức tạp.
Năm 1964 hệ thống đánh lửa điện dung CDI (Capacitor Discharge Ignition) được nghiên cứu và ứng dụng trên xe
Với nhu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi 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), đánh dấu sự tiến bộ 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 không vít lửa BSI (Breakerless Semiconductor Ignition)
Năm 1979, BOSH giới thiệu hệ thống điều khiển động cơ Motronic, tích hợp nhiều chức năng như điều khiển thời điểm đánh lửa, phun nhiên liệu, tốc độ không tải và tự chẩn đoán Hệ thống này mang lại sự linh hoạt và độ chính xác cao trong điều khiển động cơ, giúp tăng cường hiệu quả kinh tế nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Chức năng và công dụng của hệ thống đánh lửa
Hệ thống đánh lửa trên ô tô chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện cao áp, tạo ra tia lửa điện trên bougie để đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong xylanh vào cuối kỳ nén Để thực hiện nhiệm vụ này, hệ thống đánh lửa cần đáp ứng các yêu cầu chính như độ tin cậy, hiệu suất và khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt.
Tạo ra điện áp đủ lớn ( từ nguồn điện áp một chiều (6 V 12 V hoặc 24V)
Tia lửa điện phải đủ mạnh để phóng qua khe hở giữa hai cực của bougie trong điều kiện áp suất cao và nhiệt độ lớn, nhằm đốt cháy hiệu quả hỗn hợp hòa khí ở mọi chế độ hoạt động.
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
Phân loại hệ thống đánh lửa
Ngày nay, hệ thống đánh lửa trên động cơ ô tô rất đa dạng Dựa vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương pháp điều khiển và lịch sử phát triển, người ta phân loại hệ thống đánh lửa thành nhiều loại khác nhau, trong đó có phân loại theo phương pháp tích lũy năng lượng.
- 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 phổ biến trên xe thể thao, xe đua, động cơ Wankel và xe gắn máy Trong hệ thống này, năng lượng trong mạch sơ cấp của bô bin được tích lũy dưới dạng điện trường trong tụ điện.
C là điện dung của tụ điện (F)
U là điện áp trên tụ điện (V)
Tụ C thường có giá trị từ 0,5 đến 3μF, vì nếu điện dung quá lớn, tụ sẽ không kịp nạp đầy ở tốc độ cao Ngược lại, nếu điện dung quá nhỏ, sẽ ảnh hưởng đến năng lượng đánh lửa Hiệu điện thế nạp trên tụ thường không vượt quá 400V, vì nếu lớn hơn sẽ gây ra hiện tượng rò điện trong mạch thứ cấp của bô bin.
Quá trình tích lũy năng lượng trong tụ điện diễn ra dưới dạng xung liên tục Khi năng lượng được tích lũy dưới dạng xung, tụ điện sẽ được nạp bởi các xung điện một chiều trước thời điểm đánh lửa Ngược lại, trong trường hợp khác, năng lượng được tích lũy nhờ vào các xung điện một chiều biến thiên trong khoảng thời gian giữa hai lần đánh lửa.
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống CDI
Khi SCR ngắt, tụ điện được nạp qua bộ chuyển đổi DC Khi có tín hiệu đánh lửa, tín hiệu này sẽ kích hoạt mạch điều khiển để dẫn SCR Khi SCR chuyển sang trạng thái dẫn, năng lượng tích trữ trên tụ điện sẽ được phóng qua cuộn sơ cấp của bô bin đánh lửa Sự biến thiên đột ngột của dòng điện trên cuộn sơ cấp sẽ tạo ra điện động cao áp ở cuộn thứ cấp, cung cấp điện cho bougie đánh lửa Hệ thống đánh lửa điện dung có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
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:
Hệ thống đánh lửa có đặc tính độc đáo, gần như không bị ảnh hưởng bởi tốc độ động cơ Thời gian nạp điện rất ngắn nhờ vào việc lựa chọn tụ điện phù hợp, đảm bảo tụ điện vẫn nạp đầy giữa hai lần đánh lửa ngay cả khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao nhất.
- Hiệu điện thế thứ cấp, tăng trưởng nhanh nên tăng được độ nhạy đánh lửa, không phụ thuộc vào điện trở rò trên bougie
Thời gian xuất hiện tia lửa ở bougie ngắn (0,3 ÷ 0,4 ms) có thể dẫn đến tình trạng không đốt cháy hòa khí trong buồng đốt Do đó, hệ thống đánh lửa CDI cần sử dụng bougie với khe hở điện cực lớn để tăng diện tích tiếp xúc của tia lửa, tuy nhiên điều này cũng làm cho bougie nhanh chóng bị mòn Bên cạnh đó, có thể phân loại bougie theo phương pháp điều khiển cảm biến.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng vít lửa
Kể từ năm 1914, hệ thống đánh lửa Kettering, hay còn gọi là đánh lửa điện cảm, đã được các nhà sản xuất ô tô áp dụng Hệ thống này bao gồm cuộn dây đánh lửa và vít lửa được điều khiển bằng cam, như được mô tả trong sơ đồ ở Hình 2.2.
Khi công tắc SW1 đóng và cam hoạt động, dòng điện qua cuộn sơ cấp P của cuộn dây đánh lửa T được tạo ra, với giá trị cực đại bị giới hạn bởi điện trở của cuộn sơ cấp Khi cam quay, tiếp điểm SW2 bị tách ra, ngắt dòng sơ cấp và sinh ra suất điện động tự cảm được nạp vào tụ CC, giúp dập tắt tia lửa Tụ CC tăng tốc độ biến thiên từ thông, nâng cao hiệu điện thế cuộn thứ cấp Dòng phóng của tụ điện ngược chiều với dòng tự cảm, khiến từ thông trong cuộn sơ cấp giảm đột ngột, dẫn đến sự xuất hiện suất điện động cao áp trên cuộn thứ cấp S Điện áp cuộn thứ cấp tỷ lệ thuận với điện áp cuộn sơ cấp theo số vòng dây trên mỗi cuộn.
Hệ thống đánh lửa Kettering hoạt động bằng cách tạo ra điện áp cao, gây ra tia lửa giữa rotor và nắp bộ chia điện Tia lửa này được dẫn qua dây cao áp đến các bougie đánh lửa theo thứ tự kỳ nổ của động cơ Khi điện áp thứ cấp đạt giá trị cần thiết, bougie sẽ phát ra tia lửa, kích thích quá trình 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 phát ra xung điện với biên độ rất thấp (khoảng 1,2V) khi khởi động, do đó cần khuếch đại tín hiệu này để cung cấp đủ dòng cho SCR Cách đơn giản nhất để khuếch đại tín hiệu là sử dụng một mạch đệm với điện áp một chiều, hoạt động theo nguyên lý cộng điện áp.
Khi cảm biến điện từ quay phát xung điện, điện áp của xung này kết hợp với điện áp từ cầu phân áp tạo ra một điện áp đủ lớn để kích hoạt SCR dẫn.
Hình 2.3 Mạch điều khiển SCR dùng cảm biến từ
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến Hall
Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, trong đó khi được cung cấp nguồn điện và có từ trường của nam châm tác động qua IC Hall, thiết bị này sẽ tạo ra điện áp.
Hình 2.4 Nguyên lí hoạt động cảm biến trục cam
Khi cánh chắn di chuyển ra khỏi khe hở giữa IC Hall và nam chân vĩnh cửu, từ trường sẽ tác động lên IC Hall, tạo ra điện áp điều khiển Tr1 (Tr2) khiến Tr1 (Tr2) dẫn Khi cánh chắn vào khe hở giữa nam châm và IC Hall, tín hiệu điện áp từ IC sẽ được phát sinh.
Cảm biến Hall tạo ra xung vuông khi mất tín hiệu từ Tr1 (Tr2), giúp ECU xác định vị trí trục cam và tốc độ động cơ Từ tín hiệu này, ECU sẽ điều khiển thời điểm đánh lửa và thời gian phun nhiên liệu thông qua bộ chấp hành.
- Hệ thống đánh lửa sử dụng cảm biến quang
Hình 2.5 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến quang
HỆ THỐNG ĐÁNH LỬA LASER
Định nghĩa laser
Laser là thiết bị phát ra bức xạ điện từ, hoạt động dựa trên quá trình khuếch đại ánh sáng thông qua phát xạ kích thích của photon Từ "Laser" là viết tắt của cụm từ "Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation".
Phát xạ mô phỏng là quá trình cơ bản trong công nghệ laser, cho phép khuếch đại ánh sáng tương tự như cách mà micro khuếch đại âm thanh Laser, một công nghệ dựa trên ánh sáng, tạo ra từ nguồn sáng đã được khuếch đại qua phát xạ mô phỏng, còn được gọi là khuếch đại quang học.
2 Năng lượng bơm vào buồng cộng hưởng
3 Gương phản xạ toàn phần
Hình 3.1 Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của laser
Nguồn laser được cấu tạo từ ba phần chính: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn cung cấp và hệ thống dẫn quang Buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận quan trọng nhất, có chức năng khuếch đại ánh sáng thông qua phát xạ cưỡng bức để tạo ra tia laser Hoạt chất laser có thể là chất rắn như Ruby, chất lỏng như Hydrogen Fluoride hoặc khí như CO2.
Nguyên lý hoạt động của laser dựa trên sự tác động của hiệu điện thế cao, khiến các electron di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, tạo ra trạng thái nghịch đảo mật độ electron Khi ở mức năng lượng cao, một số electron rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng photon Những photon này tỏa ra nhiều hướng, va chạm với các nguyên tử khác, kích thích electron và sinh thêm photon cùng tần số, cùng pha, tạo nên phản ứng dây chuyền khuếch đại ánh sáng Các photon bị phản xạ qua lại trong vật liệu nhờ gương, tăng hiệu suất khuếch đại Cuối cùng, một số photon thoát ra ngoài qua gương bán mạ, tạo thành tia laser.
Mỗi loại laser có bước sóng và chùm ánh sáng màu đơn sắc riêng, cùng với pha kết hợp và phân kỳ thấp, tạo ra chùm tia laser cường độ cao Những đặc tính độc đáo này giúp laser ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, thực sự cách mạng hóa cuộc sống của chúng ta và biến những điều trước đây không thể thành khả thi.
Đặc tính của laser
Laser có 4 đặc tính độc đáo mà nó khác xa với ánh sáng thông thường: a Tính kết hợp
Ánh sáng nhìn thấy được phát ra khi các electron bị kích thích nhảy từ mức năng lượng cao hơn xuống mức năng lượng thấp hơn, quá trình này được gọi là chuyển tiếp electron.
Hình 3.3 Nguồn sáng thông thường (sóng ánh sáng không kết hợp)
Trong các nguồn ánh sáng thông thường như đèn, đèn natri và đèn pin, quá trình chuyển đổi electron diễn ra một cách tự nhiên và ngẫu nhiên theo thời gian Các photon phát ra từ những nguồn ánh sáng này có năng lượng, tần số, bước sóng và màu sắc đa dạng Vì vậy, sóng ánh sáng từ nguồn ánh sáng thông thường mang nhiều bước sóng khác nhau, dẫn đến việc các photon phát ra có pha khác nhau.
Trong quá trình hoạt động của laser, chuyển đổi điện tử diễn ra trong một khoảng thời gian nhất định Tất cả các photon phát ra từ laser đều có năng lượng, tần số và bước sóng đồng nhất, dẫn đến việc sóng ánh sáng của tia laser chỉ có một bước sóng hoặc màu sắc duy nhất Kết quả là, trong không gian và thời gian, các bước sóng ánh sáng laser luôn ở cùng pha.
Hình 3.4 Nguồn sáng laser (sóng ánh sáng kết hợp)
Ánh sáng do laser phát ra có tính kết hợp cao, cho phép một điểm nhỏ tập trung lượng lớn năng lượng Điều này dẫn đến tính định hướng của laser, giúp nó có khả năng chiếu sáng chính xác và hiệu quả.
Hình 3.5 Tính định hướng của chùm sáng thông thường và chùm tia laser
Các nguồn ánh sáng thông thường như đèn, đèn natri và đèn pin phát ra ánh sáng theo mọi hướng do các photon di chuyển một cách ngẫu nhiên.
Trong laser, tất cả các photon di chuyển theo cùng một hướng, tạo ra ánh sáng chỉ phát ra theo một hướng nhất định, được gọi là hướng của ánh sáng laser Chùm tia laser có chiều rộng cực kỳ hẹp, cho phép nó di chuyển đến những khoảng cách xa mà không bị lan rộng.
Với laser sóng phẳng bức xạ từ một buồng cộng hưởng với gương đường kính d
(hoặc diện tích ), sau gương chùm laser sẽ tán xạ do hiện tượng nhiễu xạ , và chùm tia bức xạ trong một góc khối:
Giá trị góc khối này thấp hơn so với góc khối bức xạ của nguồn ánh sáng nhiệt lớn Độ định hướng cao giúp tập trung năng lượng hiệu quả trong một góc khối nhỏ, từ đó tạo ra cường độ ánh sáng mạnh mẽ.
Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng chỉ chứa một màu hoặc một bước sóng duy nhất Trong khi các nguồn ánh sáng thông thường phát ra photon với năng lượng, tần số và màu sắc khác nhau, ánh sáng laser lại phát ra tất cả photon với cùng một năng lượng, tần số hoặc bước sóng Kết quả là, ánh sáng từ laser có bước sóng hoặc màu sắc đồng nhất, tạo ra cường độ cao hơn so với ánh sáng thông thường.
Cường độ của sóng được định nghĩa là năng lượng truyền qua một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích Trong trường hợp của nguồn ánh sáng thông thường, ánh sáng sẽ phân tán đều theo mọi hướng.
Ánh sáng laser lan truyền trong một không gian nhỏ và có bước sóng hẹp, dẫn đến cường độ lớn hơn so với ánh sáng thông thường Để minh họa, ta so sánh cường độ bức xạ của laser với ánh sáng thông thường, chẳng hạn như laser khí He-Ne với công suất 1 mW, phát ra photon trong vùng nhìn thấy (0,6328 µm) và tính toán số photon phát ra trong 1 giây.
Nhưng với nguồn nhiệt có T 1000K bức xạ từ điện tích và cùng phát sóng trong vùng thấy được (6000 ) thì số photon phát ra trong một giây là:
Cường độ của laser kh thông thường cao gấp khoảng 10.000 lần so với ánh sáng nhiệt thông thường Đặc biệt, với nguồn laser có công suất lớn khoảng 1GW, cường độ này có thể gấp hàng tỉ lần.
Phân loại tia laser
Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất laser, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất này để phân loại laser
Hình 3.6 Bước sóng của các loại laser phân bố trên dãy quang phổ
Laser chất rắn hoạt động dựa trên các tinh thể được pha tạp với các ion kích hoạt, chẳng hạn như laser Ruby, trong đó hoạt chất là tinh thể nhôm gắn với các ion chrome.
Hình 3.7 Ảnh thực tế của laser Ruby
Trạng thái nghịch đảo mật độ điện tử trong các chất kích hoạt là yếu tố quan trọng để duy trì hoạt động của laser rắn Laser rắn thường được bơm quang học bằng đèn flash hoặc nguồn laser khác với bước sóng ngắn hơn Trong hoạt chất laser, electron hấp thụ photon và di chuyển từ mức năng lượng thấp lên cao Khi ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ ngẫu nhiên trở lại mức năng lượng thấp, giải phóng photon Số lượng photon phát ra từ electron bị kích thích quyết định chất lượng của nguồn laser.
Neodymium là một chất kích hoạt quan trọng trong các tinh thể laser trạng thái rắn như Nd:YVO4, Nd:YLF và Nd:YAG, với khả năng phát ra công suất cao trong phổ hồng ngoại ở bước sóng 1064 nm Các loại laser này được ứng dụng rộng rãi trong cắt, hàn, khắc kim loại, cũng như trong máy quang phổ và bơm laser nhuộm màu Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn nhất của laser chất rắn là nhiệt độ cao sinh ra trong quá trình bơm năng lượng, làm giảm hiệu suất kích hoạt Laser Ruby là loại laser chất rắn đầu tiên, trong khi các loại laser chất rắn khác bao gồm Nd:YAG, Tm:YAG, Yb:YAG, Ho:YAG, Laser Titanium-sapphire, Laser Sm:CaF2 và Laser U:CaF2.
Sau khi phát minh ra laser khí He – Ne, nhiều loại khí khác đã được áp dụng để phát xạ ánh sáng laser Laser khí có thể được chế tạo từ nhiều loại khí khác nhau, phục vụ cho nhiều mục đích đa dạng.
Laser khí He-Ne, đặc biệt là loại có bước sóng 633nm, là một trong những loại laser phổ biến nhất Với chi phí thấp và tính kết hợp cao, laser này được sử dụng rộng rãi trong các phòng nghiên cứu và phòng thí nghiệm của các trường đại học.
Laser Carbon dioxide (CO2) có công suất lên đến hàng trăm watt và khả năng tập trung thành một điểm nhỏ, phát ra bước sóng 10,6 micron trong phổ ánh sáng hồng ngoại Loại laser này thường được ứng dụng trong công nghiệp để cắt và hàn kim loại nhờ vào hiệu suất cao, đạt trên 30%.
Laser Argon – ion phát xạ ra ánh sáng có bước sóng từ 351 528,7 nm, sử dụng phổ biến nhất là loại có bước sóng 458 nm, 488 nm và 514,5 nm
Sự phóng điện qua môi chất nitro trong khí quyển tạo ra tia tử ngoại có bước sóng 337,1 nm
Metal ion lasers are gas lasers that emit ultraviolet light, such as the Helium-silver (HeAg) laser with a wavelength of 224 nm and the Neon-copper (NeCu) laser with a wavelength of 248 nm.
Hình 3.8 Cấu tạo và hình ảnh chụp thực tế của Laser khí He – Ne
Laser chất lỏng là loại laser sử dụng chất lỏng làm môi trường kích hoạt, hoạt động ở nhiệt độ phòng Chúng được bơm quang học bằng đèn hồ quang, đèn flash hoặc nguồn laser khác, phát ra ánh sáng với bước sóng từ tia cực tím đến cận hồng ngoại, tùy thuộc vào loại thuốc nhuộm Laser chất lỏng có khả năng phát quang phổ liên tục hoặc phát xung, mang lại hiệu suất cao và khả năng điều chỉnh tần số, do đó ứng dụng rộng rãi trong khoa học và y học Tuy nhiên, chúng cũng gặp phải hạn chế về sự mất ổn định và thay đổi chiết xuất do nhiệt độ cao.
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo của laser Oxygen – iodine
Laser hóa học là công nghệ sử dụng phản ứng hóa học để cung cấp năng lượng cho môi trường kích hoạt laser, cho phép giải phóng lượng lớn năng lượng nhanh chóng Với công suất lên đến hàng triệu Watt, laser hóa học được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và quân đội Một số loại laser hóa học phổ biến bao gồm laser Oxygen-iodine, laser gas-phase iodine, laser Deuterium Fluoride, laser Hydrogen Fluoride (HF), Deuterium Fluoride (DF) và laser Deuterium Fluoride-Carbon dioxide.
Laser bán dẫn là một loại laser sử dụng môi trường kích hoạt từ chất bán dẫn, nơi được cung cấp dòng điện để duy trì sự tái tổ hợp của electron và lỗ trống Sự phản xạ giữa hai đầu tinh thể tạo ra buồng cộng hưởng, trong đó một số loại buồng cộng hưởng có thể được đặt bên ngoài tinh thể.
Hình 3.10 Cấu tạo chi tiết và hình ảnh thực tế của laser bán dẫn
Laser bán dẫn thương mại có bước sóng từ 375 nm đến 3500 nm, với các loại laser công suất trung bình và thấp thường được sử dụng cho con trỏ laser, máy in laser, và đầu đọc/ghi CD/DVD Ngoài ra, chúng cũng có thể làm bơm quang học cho các loại laser khác với hiệu suất cao Đối với ứng dụng công nghiệp, laser bán dẫn có công suất trên 10 kW được sử dụng trong máy cắt và hàn kim loại.
Nguồn laser phù hợp cho hệ thống đánh lửa
Khi lựa chọn nguồn laser cho quá trình đánh lửa, cần đảm bảo đáp ứng các tiêu chí về chi phí, kích thước nhỏ gọn và hiệu quả Hiện nay, có hai loại laser phổ biến được áp dụng trong nghiên cứu và ứng dụng.
Laser Nd:YAG là loại laser chất rắn sử dụng môi trường kích hoạt là Ytterium Aluminium Garnet pha thêm khoảng 1% Neodymium (Nd:Y3Al5O12) Các ion Neodymium hóa trị ba được gắn vào cấu trúc của Ytterium Aluminium Garnet, tạo ra các tinh thể có kích thước đồng nhất Laser này được bơm quang học bằng đèn flash hoặc nguồn laser khác, mang lại hiệu suất cao và chi phí thấp hơn so với các loại laser chất rắn khác như laser ruby Laser Nd:YAG phát ra ánh sáng với bước sóng 1064 nm, hoạt động ở hai chế độ phát liên tục và phát xung, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Laser Nd:YAG thường hoạt động ở chế độ phát xung (Q-switched), sử dụng một công tắc quang học trong buồng cộng hưởng để tạo ra trạng thái nghịch đảo mật độ điện tử Khi công tắc này mở, các electron đồng thời rơi xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng trong thời gian ngắn Ở chế độ này, công suất phát ra có thể đạt trên 250 Megawatt trong khoảng thời gian ngắn.
Laser Nd:YAG có khả năng phát tia sáng với bước sóng 532nm, 355nm và 266nm trong khoảng thời gian từ 10 đến 25 ns, với đường kính tia sáng chỉ vài mm Chế độ phát xung cường độ cao của laser này cho phép tạo ra những tia sáng mạnh mẽ và chính xác.
Hình 3.11 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn
Laser bán dẫn, tương tự như LED, được phát triển từ công nghệ chất bán dẫn với tia laser được tạo ra tại lớp tiếp giáp P-N Đây là loại laser phổ biến nhất, được ứng dụng rộng rãi trong truyền tải thông tin qua cáp quang, máy đọc mã vạch, đầu đọc/ghi đĩa CD/DVD, máy in và con trỏ laser.
Hình 3.12 Các lớp của một PIN diode
Laser bán dẫn là một diode PIN, với vùng hoạt động nằm trong vùng tiếp giáp (Intrinsic) Tạp chất nhóm V cung cấp điện tử cho chất bán dẫn cơ bản, tạo thành bán dẫn loại N (Negative) Ngược lại, tạp chất ở nhóm III tiếp nhận điện tử từ chất bán dẫn cơ bản, sinh ra các lỗ trống, dẫn đến việc hình thành bán dẫn loại P (Positive).
Khi hai lớp bán dẫn loại N và P tiếp xúc, electron từ bán dẫn loại N sẽ khuếch tán sang bán dẫn loại P, dẫn đến sự tái hợp giữa electron và lỗ trống Quá trình này thiết lập trạng thái cân bằng, tại vùng chuyển tiếp P-N không còn hiện tượng suy biến.
Khi áp dụng điện áp vào mối nối, vùng chuyển tiếp sẽ trở lại trạng thái suy biến, cho phép các electron từ vùng N di chuyển vào vùng P Tại đây, các electron sẽ tái hợp với lỗ trống, dẫn đến việc phát ra photon Quá trình này cho thấy electron từ trạng thái năng lượng cao (vùng dẫn) rơi xuống vùng hóa trị, kết hợp với lỗ trống và phát ra tia laser.
Phương pháp truyền tia laser
Để đánh lửa hiệu quả, tia laser cần được tập trung thành một điểm rất nhỏ, giúp tăng mật độ năng lượng Kích thước điểm giới hạn của chùm tia laser phụ thuộc vào bản chất của nó và bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu xạ ở các cạnh của thiết bị quang học, như thấu kính Đối với chùm tia song song lý tưởng và thấu kính hoàn hảo, quang sai không đáng kể sẽ giúp tối ưu hóa kích thước điểm này.
K ch thước điểm giới hạn nhiễu xạ được cho bởi công thức 3.4:
Trong đó: f: là tiêu cự của thấu k nh
Bán kính chùm tia laser cần phải phù hợp với bán kính của thấu kính để tối ưu hóa hiệu suất Khi hai bán kính này trùng khớp, chùm tia laser sẽ lấp đầy toàn bộ diện tích của thấu kính, mang lại hiệu quả chiếu sáng tốt nhất.
Hệ thống truyền tia laser qua không khí sử dụng thấu kính và gương để đạt được kích thước điểm tối ưu của chùm tia laser Một thấu kính được dùng để tăng kích thước chùm tia, trong khi thấu kính khác giúp chuẩn trực và giảm độ phân kỳ Gương phản xạ dẫn hướng chùm tia laser đến vị trí mong muốn, và vật kính, là hệ thống thấu kính hội tụ, được sử dụng để hội tụ chùm tia laser.
Hệ thống truyền tia laser qua không khí gặp khó khăn do sự phân kỳ tự nhiên của chùm tia, khiến chùm tia lớn hơn khi truyền trên khoảng cách dài, đòi hỏi thiết bị quang học có đường kính lớn hơn Việc tăng đường kính thấu kính sẽ giới hạn tiêu cự tối thiểu và gây ra quang sai Hơn nữa, hệ thống này thường cố định, nên bất kỳ thay đổi nào về vị trí của các phần tử đều có thể gây lệch hướng, làm thay đổi kích thước điểm khi khoảng cách giữa laser và thấu kính thay đổi Đối với ứng dụng đánh lửa bằng tia laser, truyền qua cáp quang được ưa chuộng vì tính linh hoạt về vị trí và khả năng định hướng, đồng thời đáp ứng yêu cầu an toàn và duy trì kích thước chùm tia trong khoảng cách dài.
3.5.2 Truyền tia sáng bằng cáp quang
Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống truyền tia laser bằng cáp quang
Tia laser phát ra từ laser diode có độ phân kỳ cao, khiến việc tập trung chùm tia thành một điểm nhỏ để đạt mật độ năng lượng cao trở nên khó khăn Chùm tia laser từ các nguồn này thường được kết nối với thiết bị quang học hoặc qua cáp quang để truyền đến vị trí mong muốn Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình truyền tia laser qua sợi cáp quang, các mặt của sợi cáp cần có độ nhẵn bóng cao và được kết nối chặt chẽ với nguồn phát Sơ đồ khớp nối sử dụng hệ thấu kính hội tụ được minh họa trong Hình 3.14.
Sợi cáp quang được làm từ thủy tinh tinh khiết (silica) với đường kính từ 0,1 đến 0,6mm, có khả năng linh hoạt để chịu đựng các giới hạn uốn Một sợi cáp quang bao gồm một lõi trong suốt, được bao phủ bởi lớp vật liệu trong suốt có chiết suất thấp hơn Bên ngoài, sợi cáp được bảo vệ bởi lớp nhựa có độ bền cao, như Kevlar, giúp chống lại bụi bẩn và độ ẩm Đối với ứng dụng truyền laser công suất cao, sợi cáp còn được bảo vệ bởi lớp vỏ kim loại Cáp quang hoạt động như ống dẫn sóng, với ánh sáng truyền trong lõi dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần Cáp quang được chia thành hai loại.
Sợi quang đơn chế độ (single-mode fiber) chỉ cho phép truyền một tia sáng duy nhất và thường có đường kính nhỏ, được sử dụng cho việc truyền dẫn ở khoảng cách xa.
Sợi quang đa mode (multi-mode fiber) là loại cáp quang cho phép truyền nhiều tia sáng đồng thời, thường có đường kính lõi lớn và thích hợp cho việc truyền dẫn trong khoảng cách ngắn.
Sợi cáp quang nhỏ dần là phương pháp hiệu quả để tập trung chùm tia laser chất lượng thấp thành điểm nhỏ Một nguồn laser lý tưởng phát ra chùm tia phân bố đều trên hình tròn, nhưng nhiều loại laser công suất cao không đạt được điều này, dẫn đến sự phân bố không đều và các điểm quá nhiệt Hình dạng chùm tia laser cũng thay đổi theo công suất và tuổi thọ của nguồn laser, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền và có thể gây hư hỏng cho sợi cáp quang Việc sử dụng sợi cáp quang nhỏ dần với đầu vào có đường kính lớn giúp giảm năng lượng phân bố trên một đơn vị diện tích, đồng thời đảm bảo tất cả năng lượng được truyền đi hiệu quả.
Cáp quang bao gồm hai loại chính: cáp đơn mode với kích thước lõi khoảng 9 micron và cáp đa mode với kích thước lõi thường là 50 hoặc 62,5 micron Để tối ưu hóa hiệu quả truyền tia laser, cần điều chỉnh hướng, vị trí, kích cỡ và độ phân kỳ của chùm tia Với chùm tia chất lượng tốt, hiệu suất truyền đạt có thể đạt từ 70% đến 90%.
Việc lựa chọn sợi cáp quang phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định cơ học Kích thước của sợi cáp quang cần đủ lớn, và lõi cáp phải lớn hơn kích thước điểm của tia laser để tránh hiệu ứng nhiệt và thuận tiện trong việc thay thế các khớp nối Hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc chọn loại cáp quang là chất lượng chùm tia laser và khẩu độ số (Numerical Aperture) của cáp.
Yêu cầu năng lƣợng đánh lửa
Năng lượng đánh lửa đóng vai trò quan trọng trong việc khởi động quá trình cháy, với năng lượng đánh lửa tối thiểu (MIE) thường dao động từ 0,15 mJ đến 1 J, tùy thuộc vào loại thấu kính và nhiên liệu được sử dụng trong thí nghiệm Đối với hệ thống đánh lửa điện thông thường, MIE khoảng 50 mJ Để quá trình cháy diễn ra, cần phải tạo ra hạt lửa và plasma có cường độ đủ lớn MIE phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tỷ lệ hỗn hợp nhiên liệu - không khí và các đặc tính của nhiên liệu.
Thực nghiệm 36 là phương pháp hiệu quả để nghiên cứu quá trình đánh lửa của nhiều loại nhiên liệu phù hợp với hệ thống đánh lửa bằng laser Phần này sẽ tập trung vào việc phân tích MIE và MPE cho xăng và E85.
Hình 3.16 Hình ảnh ngọn lửa tự duy trì và ngọn lửa bị dập tắt
Sau khi bắn tia laser vào hỗn hợp nhiên liệu và không khí, một hạt lửa được hình thành, nhưng việc chuyển đổi hạt lửa thành ngọn lửa tự duy trì quyết định quá trình cháy có diễn ra hay không Trong một số điều kiện nhất định, hạt lửa có thể bị dập tắt, dẫn đến mất lửa và ảnh hưởng đến công suất động cơ Để tối ưu hóa quá trình cháy, cần nghiên cứu thành phần nhiên liệu ảnh hưởng đến ngưỡng cháy và sự lan truyền của ngọn lửa Ngưỡng cho quá trình đốt cháy bằng laser được xác định qua năng lượng đánh lửa tối thiểu (MIE) và năng lượng xung tối thiểu (MPE) Phương pháp ảnh Schlieren được sử dụng để đánh giá khả năng đánh lửa thành công, với các lần đánh lửa bị dập tắt trong điều kiện nghèo được coi là thất bại MIE và MPE được xác định thông qua phương pháp hồi quy logistic, nhằm tìm ra năng lượng mà tại đó khả năng đánh lửa thành công đạt 50%.
Hình 3.17 minh họa MIE và MPE của quá trình đánh lửa bằng laser khi đốt cháy hỗn hợp xăng (iso-octan) và E85 Năng lượng cần thiết để đánh lửa đạt mức tối thiểu gần với tỷ lệ hòa khí lý tưởng.
Khi hòa khí trở nên nghèo hơn, nhiệt độ ngọn lửa và tốc độ cháy sẽ giảm, dẫn đến việc hạt lửa khó có thể hình thành ngọn lửa tự duy trì Xu hướng này áp dụng cho tất cả các loại nhiên liệu, cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của điều kiện hòa khí đối với hiệu suất cháy.
Hình 3.17 Năng lƣợng xung và năng lƣợng đánh lửa laser của xăng và E85, tiêu cự f = 15 cm, p = 1 atm, và T 00 K
MIE và MPE của E85 thấp hơn xăng ở mọi tỷ lệ hòa khí, cho thấy ethanol làm giảm năng lượng cần thiết cho quá trình đánh lửa Khi tỷ lệ hòa khí nghèo, năng lượng đánh lửa của xăng tăng đáng kể, dẫn đến việc tăng giới hạn tỷ lệ hòa khí mà laser có thể đốt cháy.
Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến năng lượng đánh lửa của các loại nhiên liệu Theo Hình 3.18, nhiệt độ cháy đoạn nhiệt của ethanol và xăng chỉ chênh lệch 2%, một sự khác biệt rất nhỏ Do đó, nhiệt độ cháy đoạn nhiệt không phải là yếu tố quyết định lớn đến sự khác biệt trong năng lượng đánh lửa giữa hai loại nhiên liệu này.
Một yếu tố quan trọng khác cần xem xét khi đánh giá nhiên liệu là vận tốc cháy Sự khác biệt rõ rệt giữa ethanol và xăng được thể hiện qua hình 3.19, cho thấy trong điều kiện tỷ lệ hòa khí = 1, tốc độ cháy của ethanol cao hơn khoảng 20% so với xăng Điều này liên quan đến số Lewis của hai loại nhiên liệu, trong đó số Lewis càng nhỏ thì tốc độ cháy càng lớn.
Hình 3.18 Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt của xăng và E85, p = 1 atm, T = 300 K
Số Lewis là tỷ số không thứ nguyên giữa khuếch tán nhiệt và hệ số khuếch tán khối lượng, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định năng lượng đánh lửa tối thiểu Phương trình tính số Lewis được sử dụng để phân tích mối quan hệ này.
(3.5) Trong đó là số Lewis, D là hệ số khuếch tán khối lượng, là khuếch tán nhiệt
Số Lewis cao hơn yêu cầu bán kính hạt nhân lớn hơn để duy trì ngọn lửa, dẫn đến việc năng lượng đánh lửa cần cao hơn Số Lewis hòa khí lý tưởng của ethanol khoảng 1,2, trong khi của xăng là khoảng 1,8.
Hình 3.19 Tốc độ cháy của xăng và E85, p = 1 atm, T = 300 K