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.
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.
Tại Hội thảo về tia Laser và điện quang (CLEO:2011) năm nay, được tổ chức tại Baltimore từ 1-6 tháng 5, các nhà nghiên cứu từ Nhật Bản sẽ mô tả một hệ thống tia laser đa chùm với kích thước đủ nhỏ để lắp vào vào đầu xilanh của động cơ. Hệ thống laser mới này được làm từ gốm, và có thể được sản xuất đại trà với chi phí rẻ - theo công bố của đại diện tác giả, Takunori Taira thuộc viện Nghiên cứu khoa học tự nhiên Quốc gia Nhật Bản.
Bộ đánh lửa laser
Nếu động cơ chạy khan sẽ thải ra ít khí NOx hơn. Bugi có thể đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu, nhưng chỉ bằng cách tăng năng lượng cho bộ đánh lửa. Tuy nhiên điện thế cao lại làm mòn điện cực nhanh hơn, khiến giải pháp này không kinh tế. Ngược lại, tia laser lại không có điện cực và vì vậy không bị ảnh hưởng.
Bộ bugi truyền thống thường nằm ở phía trên cùng của xilanh và chỉ đánh lửa khi hỗn hợp nhiên liệu và khí gần với bugi. Các phần kim loại gần điện cực và thành xilanh hấp thụ nhiệt từ quá trình cháy, đồng thời dập tắt phần đầu ngọn lửa ngay khi nó bắt đầu lan rộng ra.
Bằng cách sử dụng tia laser, bộ đánh lửa plasma có thể được đặt ở bất kỳ vị trí nào bên trong khoang xilanh. Vị trí tối ưu của bộ phận đánh lửa là ở xa so với thành xi lanh lạnh cho phép phần đầu ngọn lửa lan rộng ra nhanh chóng và đồng đều trong khoang xilanh và vì vậy tăng cường được mức độ hiệu quả. Nếu không có quá trình dập cháy, ngọn lửa sẽ lan rộng ra đối xứng hơn và nhanh hơn gấp 3 lần so với ngọn lửa sinh ra bằng bugi.
Một điều quan trọng nữa, Taira nói: Tia laser phát ra năng lượng trong vòng nano giây (1 phần tỷ giây), so với thời gian là 1 mili giây của bugi. Thêm vào đó, bộ đánh lửa laser có tiềm năng rất lớn bởi tính đồng thời, đánh lửa đa điểm trong khoang xilanh. Việc thu hẹp thời gian phát tia lửa đáng kể sẽ nâng cao mức độ hiệu quả của động cơ.
Hơn thế nữa, một bộ đánh lửa laser có thể đánh lửa hỗn hợp khô hoặc hỗn hợp nhiên liệu áp suất cao trước đây là rào cản đối với bộ bugi truyền thống. Bộ đánh lửa laser cũng được đánh giá là có tuổi thọ cao hơn bugi bởi không dùng đến điện cực.
Trong quá khứ, những tia laser đáp ứng được các yêu cầu trên rất hạn chế đối với việc nghiên cứu cơ bản bởi chúng có kích thước lớn, không hiệu quả và không ổn định.
—Takunori Taira
Nhóm nghiên cứu của Taira khắc phục nhược điểm trên bằng việc tạo ra chùm laser từ bột gốm. Nhóm nghiên cứu đốt nóng bột gốm để chảy ra thành vật liệu quang trong suốt và nhúm các ion kim loại vào đó để tăng cường đặc tính của vật liệu này. Vật liệu gốm dễ phối quang học hơn thủy tinh truyền thống. Vật liệu này cũng khỏe hơn, dẻo hơn, và độ dẫn nhiệt tốt hơn, vì vậy chúng có thể tản nhiệt từ động cơ ra mà không bị hỏng.
Nhóm của Taira tạo ra tia laser bằng hai mảnh hợp kim Ytri-Nhôm-Gali (YAG), một mảnh được kích thích bằng Neoddim và mảnh còn lại được kích thích bằng crom. Họ liên kết hai mảnh này lại để tạo ra một chùm laser mạnh có đường kính 9 mm và dài 11 mm.
Hợp chất này tạo ra hai chùm tia laser có thể đánh lửa cho nhiên liệu tại hai vị trí khác nhau ở cùng một thời điểm. Điều này có nghĩa là sẽ sản sinh ra hai chùm lửa với lớn nhanh hơn và đồng đều hơn là một tia laser có thể làm được.
Tia laser không đủ mạnh để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu khô nhất với một xung đơn. Bằng cách sử dụng vài xung dạng 800 pico giây (1 pico giây bằng 1 phần triệu triệu giây) có thể đưa vào đủ năng lượng để đốt cháy hỗn hợp hoàn toàn.
Một động cơ thông thường yêu cầu xung có tần số 60Hz, Taira cho hay. Ông đã thử nghiệm chùm tia laser kép có tần số 100 Hz. Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm chùm 3 tia laser và đã tạo ra quá trình đốt cháy nhanh hơn và đồng đều hơn.
Hệ thống đánh lửa laser, mặc dù rất hứa hẹn, nhưng vẫn chưa được đưa vào động cơ để sản xuất trong nhà máy. Nhóm nghiên cứu của Taira hiện đang làm việc với một công ty lớn chuyên sản xuất bugi và với công ty DENSO (một thành viên của Tập đoàn Toyota) để đưa thiết bị này vào sản xuất.
Dự án nghiên cứu này được tài trợ bởi Sở Khoa học Kỹ thuật Nhật Bản (JST). agency
Trần Tiềm (Theo http://www.alternative-energy-news.info)