thiết kế và chế tạo thiết bị chỉ thị độ đen khí xả của động cơ đốt trong bằng vi điều khiển

Càng tăng quy mô chảy rối, các chuyển động nhấp nhô của màng lửa tạo ra nhiều khối hoà khí phân tán như hình vẽ 1.2 làm tăng diện tích và tốc độ cháy, đó là trường hợp thường gặp trong k

Lời nói đầu

Ngày nay, xu thế áp dụng tự động điều khiển và tự động hoá đang lan rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Vì vậy, việc lắp đặt thêm các thiết bị tự động điều khiển trên các động cơ nói chung và động cơ đốt trong nói riêng là một việc làm hết sức cần thiết, nhằm tăng thêm năng suất trong lao động và sản xuất

Qua quá trình tìm hiểu về động cơ đốt trong để góp phần tăng thêm tính hiện đại và

tự động cho động cơ em đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị chỉ thị độ đen khí xả của động cơ đốt trong bằng vi điều khiển”

Nội dung đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về các quá trình cháy của động cơ và nguyên nhân khói đen trong khí xả

Chương 2: Cảm biến và vi điều khiển

Chương 3: Thiết kế và chế tạo thiết bị chỉ thị độ đen khí xả

Mục đích của đề tài nhằm chế tạo ra một thiết bị đánh giá tình trạng kỹ thuật của động cơ một cách đơn giản, chính xác Với các chương trình được thiết lập trước trên vi mạch xử lý

Ứng dụng của loại thiết bị cảm biến này có thể dùng để kiểm tra độ đen khí xả cho tất cả các loại động cơ đốt trong

Và nhân đây em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của TS.Nguyễn Thạch Thầy đã cung cấp cho em rất nhiều ý kiến cũng như nhiều tài liệu để cho em có thể hoàn thành đề tài này Nhưng do vấn đề hạn hẹp về thời gian và kiến thức, chắc chắn đề tài còn nhiều thiếu sót Vì vậy em xin nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy và các bạn để đề tài này có thể hoàn thiện tốt hơn Em xin chân thành cảm ơn

Nha Trang tháng 06 năm 2006 Sinh viên thực hiện

Lê Minh Thức

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

VÀ NGUYÊN NHÂN CÓ KHÓI ĐEN TRONG KHÍ XẢ

1.1 QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1.1.Khái niệm

Cháy ở động cơ đốt trong (ĐCĐT) là một quá trình hoá học có kèm theo toả nhiệt Phương trình phản ứng hoá học giữa các phân tử nhiên liệu và không khí ở ĐCĐT có thể biểu diễn như sau:

CnHmOr + (

2 4

r m

n+ - ).(O2+3,76N2) = nCO2+

2

2 4

r m

n+ - )N2 (1.1)

Ví dụ, phương trình (1.1) viết cho nhiên liệu là octane (C8H18) sẽ có dạng:

C8H18 +(8+

4

18).(O2+3,67N2) = 8CO2+9H2O+47N2 (1.2)

Từ phương trình (1.2) ta thấy, để đốt cháy hoàn toàn một phân tử octane cần phải có

ít nhất 12,5 phân tử ôxy, tương đương với 59,5 phân tử không khí để đốt cháy hoàn toàn 1kg octane

Nếu sử dụng không khí nhiều hơn lượng không khí lý thuyết để có thể đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu trong điều kiện thực tế thì trong khí xả có ôxy dư.Ví dụ phương trình hoá học của quá trình cháy octane với lượng không khí dư 20% sẽ có dạng:

C8H18 +1,2[(8+

4

18).(O2+3,67N2) ]→ 8CO2+9H2O+47N2+2,5O2 (1.3)

Nếu lượng không khí nạp vào động cơ ít hơn lượng không khí lý thuyết thì nhiên liệu sẽ cháy không hoàn toàn và trong khí xả sẽ có thêm các sản phẩm khác, như: CO, H2, CnHm, C,v.v Ví dụ: phương trình cháy ocante với lượng không khí bằng 80% lượng không khí lý thuyết sẽ có dạng:

C8H18 +0,8[(8+

4

18).(O2+3,67N2) ]→aCO+bCO2+cH2O+cd2+ eC+37,7N2 (1.4)

Trong đó: a, b, c, d và e là số kmol của loại sản phẩm cháy

Các phản ứng hoá học giữa nhiên liệu và ôxy giới thiệu ở trên là sự thể hiện kết quả cuối cùng của hàng loạt quá trình lý-hoá diễn ra từ thời điểm các phân tử nhiên liệu và ôxy chịu tác động của nhiệt độ và áp suất đủ cao để có thể diễn ra các phản ứng ôxy hoá các phân tử nhiên liệu diễn ra với nhiều giai đoạn và theo kiểu phản ứng dây chuyền, trong đó sự hình thành các phân tử hoạt tính trung gian đóng vai trò quyết định trong sự mở đầu và phát triển của các phản ứng ôxy hoá Cháy hay nổ nhiệt là giai đoạn các phản ứng ôxy hoá nhiên liệu diễn ra với tốc độ lớn với

sự tồn tại của ngọn lửa nóng lan truyền từ khu vực cháy sang khu vực hỗn hợp khí công tác chưa cháy Sự cháy của nhiên liệu thường bắt đầu từ những trung tâm cháy đầu tiên Và gọi thời điểm xuất hiện những trung tâm cháy đầu tiên là thời điểm phát hoả Cơ chế hình thành trung tâm cháy đầu tiên, tức là cơ chế của sự phát hoả ở

động cơ đốt trong vẫn chưa được lý giải một cách hoàn chỉnh

1.1.2 Hiện tượng cháy của nhiên liệu trong động cơ

Hoà khí trong động cơ đốt trong được chia làm hai loại: hoà khí đều được hoà trộn trước và hoà khí không được hoà trộn trước Hiện tượng cháy của từng loại

có đặc trưng riêng

1.1.2.1 Đặc điểm hiện tượng cháy trong động cơ xăng - Sự truyền lan của màng lửa

Đặc trưng chính của việc đốt cháy hoà khí đều, được hoà trộn trước ở động

cơ xăng là sự lan truyền màng lửa

Màng lửa là một màng ngăn giữa hai khu vực đã cháy và chưa cháy Màng lửa chiếm một dung tích rất nhỏ, có hai loại màng lửa: màng lửa chảy tầng và màng lửa chảy rối

Màng lửa chảy tầng có chiều dày nhỏ Tốc độ lan truyền màng lửa Sn càng lớn thì màng lửa càng mỏng Tốc độ màng lửa chảy tầng chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lý – hoá của hoà khí như: tỷ lệ nhiệt, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt trị của hoà khí, mà không phụ thuộc loại bình chứa và trạng thái lưu động của dòng khí

Tốc độ của màng lửa chảy tầng S

Sn chỉ tốc độ di chuyển màng lửa tiên phong theo hướng pháp tuyến về phía hoà khí, nên đôi khi còn gọi là tốc độ lan màng lửa theo hướng pháp tuyến như hình

vẽ1.1

Hình 1.1: Cấu tạo màng lửa cháy tầng t-nhiệt độ; y p -mật độ sản vật cháy;

y F -mật độ hoà khí

Trong đó: Sf -tốc độ lan truyền biểu kiến ( đo được khi thí nghiệm )

Sđ - tốc độ đẩy màng lửa do giãn nở của sản vật cháy

Nếu biết được áp suất trong quá trình cháy, thì sẽ xác định được tỷ số:

÷ ø

ö ç è

S

n

Trong đó: k- chỉ số đoạn nhiệt

p2- áp suất cuối thời kỳ cháy

p-áp suất tức thời trong quá trình

Màng lửa chảy rối có chiều dày màng lửa lớn hơn màng lửa chảy tầng Tốc

độ lan truyền màng lửa Sr nhanh hơn so với chảy tầng Quy mô chảy rối khác nhau

sẽ làm cho bề mặt màng lửa biến dạng khác nhau

Sn

YF Yp t( c)

(trong đó: u = tốc độ trung bình mạch động; t’- thời gian tồn tại trung bình của mạch động) và chiều dày màng lửa δ, và cháy rối chia làm hai loại:

*) Cháy rối quy mô nhỏ l<< δ Trong trường hợp này dạng màng lửa tương

tự như màng lửa chảy tầng

Hình 1.2:Màng lửa chảy rối a)Mặt nhăn nhúm b)Các khối hoà khí phân tán 1-hoà khí mới; 2-sản vật cháy

Nhưng trao đổi nhiệt và phân tử hoạt tính giữa màng lửa và lớp hoà khí lân cận không chỉ dựa vào vận động phân tử, mà chủ yếu dựa vào chuyển động mạch động của những khói khí nhỏ trong màng lửa, làm cho tốc độ truyền nhiệt và truyền phân tử hoạt tính tới lớp hoà khí lân cận tăng lên đột ngột, làm cho tốc độ tăng theo hướng pháp tuyến tăng lên khoảng 10 lần so với chảy tầng

*) Chảy rối quy mô lớn l> δ Trong trường hợp này hình dạng màng lửa bị uốn cong và trở nên mấp mô làm tăng diện tích, tốc độ lan truyền theo hướng tiếp tuyến vẫn tương tự như trường hợp chảy tầng, nhưng do diện tích tăng lên nhiều làm cho tốc độ lan truyền tăng nhanh Càng tăng quy mô chảy rối, các chuyển động nhấp nhô của màng lửa tạo ra nhiều khối hoà khí phân tán (như hình vẽ 1.2) làm tăng diện tích và tốc độ cháy, đó là trường hợp thường gặp trong kĩ thuật

Tốc độ lan truyền màng lửa chảy rối Sr được xác định:

cường độ chảy rối Ur càng mạnh càng làm tăng Sr , khi Ur càng lớn thì vai trò của Sn

trong biểu thức (1.8) càng nhỏ

1.1.2.2 Đặc điểm hiện tượng cháy trong động cơ diesel- ngọn lửa khuếch tán

Ngọn lửa khuếch tán là do một lớp trong vùng phản ứng nhả nhiệt tạo thành,

nó tạo nên lớp ngăn cách giữa dòng nhiên liệu và các chất ôxy hoá (hình 1.3)

sản phẩm cháy

Hình 1.3

nhiên liệu và chất ôxy hoá đều tạo ra gradien đối với màng lửa, vì vậy chúng đều khuếch tán vào khu vực phản ứng tạo nên hoà khí và bốc cháy Tốc độ phản ứng trong ngọn lửa khuếch tán cũng như sự tiến triển của ngọn lửa phuộc thuộc vào nhiều nhân tố; sự khuếch tán; hoà trộn.v.v

Ngọn lửa khuếch tán có thể đồng pha có thể dị pha Trong ngọn lửa khuếch tán đồng pha, nhiên liệu và ôxy hoá đều ở dạng khí, trong ngọn lửa khuếch tán dị pha nhiên liệu thể lỏng được cháy trong chất ôxy hoá thể khí

So với ngọn lửa của hoà khí đều được chuẩn bị trước ở động cơ xăng, trong ngọn lửa khuếch tán tốc độ phản ứng nhả nhiệt chậm hơn, khu vực phản ứng dày hơn Ngoài ra do ảnh hưởng của nhiệt độ lớn các hạt cacbon được phân giải từ nhiên liệu, gây phản xạ ánh sáng làm cho ngọn lửa trở nên sáng rực

1.1.3 Quá trình cháy trong động cơ

1.1.3.1 Những đặc điểm của qúa trình cháy trong động cơ xăng

a) Phương thức tạo hoà khí và đốt cháy trong động cơ xăng:

-Quá trình hình thành hỗn hợp không khí nhiên liệu được chuẩn bị trước từ bên ngoài và kéo dài trong cả quá trình nạp và nén

vùng phản ứng hơi nhiên liệu

-Hỗn hợp được đốt cháy cưỡng bức bằng tia lửa điện

Hình 1.4: biểu diễn quá trình cháy trong động cơ xăng

I-Cháy trể, II-Cháy chính, III-Cháy rớt 1-đánh lửa, 2-hình thành màng lửa trung tâm, 3-áp suất lớn nhất p z

b)Diễn biến của quá trình cháy trong động cơ xăng

Quá trình cháy bình thường trong động cơ xăng có thể chia ra thành ba giai đoạn:

*) Giai đoạn 1-giai đoạn cháy trể ( từ điểm 1®2)

Giai đoạn này bắt đầu khi buji đánh lửa đến khi áp suất trong xylanh cao hơn đường cong áp suất thuần tuý

Trong giai đoạn này là thời kỳ chuyển hoá để hình thành các trung tâm bốc cháy đầu tiên và cháy một phần nhỏ nhiên liệu ở gần buji

Thông số đặc trưng cho giai đoạn này là thời gian cháy trể ký hiệu t1 [s] hoặc góc quay trục khuỷu: j1=2pnt1 (1.9)

Trong đó: n-tốc độ quay của động cơ tính bằng vòng/phút

*) Giai đoạn 2-giai đoạn cháy chính (từ điểm 2 ® 3)

Bắc đầu từ khi nhiên liệu bốc cháy (điểm 2) đến khi áp suất trong động cơ đạt giá trị cực đại (điểm 3)

7 14 21 28 35 42

Nhiệt độ và áp suất trong xylanh tăng rất nhanh do quá trình cháy diễn ra một cách mãnh liệt

Nhiệt lượng cung cấp cho chu trình chủ yếu được toả ra từ giai đoạn này

Một số thông số đặc trưng cho giai đoạn này là tốc độ tăng áp suất trung bình:

j j

D

= -

W tb

2 3

3

trong đó :P2, p3 – áp suất môi chất công tác tại điểm 2 và điểm 3

j2, j3 – góc quay trục khuỷu ứng với điểm 2 và điểm 3

Tốc độ tăng áp suất trung bình là thông số đánh giá về chế độ làm việc êm dịu của động cơ Động cơ xăng tỷ số nén e = 6í8 thường có Wtb = (1,1í1,6) bar/0gqtk

*) Giai đoạn 3 – giai đoạn cháy rớt (từ điểm 3 – áp suất cực đại trở đi )

Là giai đoạn cháy sau khi áp suất trong xylanh đã giảm Nếu thực hiện tốt các biện pháp để đốt cháy nhiên liệu (điều chỉnh thành phần của hoà khí; góc đánh lửa; tạo vận động rối của hỗn hợp cháy trong buồng cháy ) thì có thể kết thúc quá trình cháy ở đầu quá trình giãn nở Song trong thực tế quá trình cháy còn diễn ra trên đường giản nở thậm chí trên đường ống xả

Giai đoạn cháy rớt kéo dài làm cho động cơ quá nóng, công suất và hiệu suất của động cơ giảm

Trên động cơ xăng hiện tượng cháy rớt ít hơn động cơ diesel

c) Nhũng đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ xăng

-Hỗn hợp nhiên liệu không khí được đốt cháy bằng tia lửa điện

-Trung tâm cháy được xuất hiện đầu tiên gần hai cực buji

-Quá trình cháy trong động cơ xăng là quá trình cháy bề mặt của hỗn hợp đồng nhất

1.1.3.2 Những hiện cháy không bình thường ở động cơ xăng

a) Cháy kích nổ

Hiện tượng: Là hiện tượng tự bốc cháy một phần hỗn hợp khi ngọn lửa chưa lan truyền tới Khi có hiện tượng kích nổ trong xylanh có thể nhận biết qua

-Xuất hiện tiếng gõ kim loại do sóng sung kích phản xạ nhiều lần trong buồng đốt -Động cơ xả khói đen do một phần nhiên liệu và sản phẩm cháy bị phân huỷ dưới tác dụng của của áp suất và nhiệt độ rất cao tại khu vực kích nổ

-Công suất của động cơ giảm, suất tiêu thụ nhiên liệu tăng do một phần năng lượng phải tiêu hao cho sự lan truyền của sóng xung kích, tổn thất nhiệt cho môi chất làm mát tăng, một phần năng lượng tiêu hao cho sự phân huỷ nhiên liệu và sản phẩm cháy

Nguyên nhân và bản chất hiện tượng kích nổ được lý giải là do hoạt động hoá học mãnh liệt của các phân tử nhiên liệu ở phía trước màng lửa bị chèn ép

do kết quả nhả nhiệt của các hoà khí đã cháy tạo ra áp suất và nhiệt độ cao lại có sự vận động va chạm gây ra sự phân huỷ cacbuahydro, các sản phẩm bị phân huỷ này kết hợp với ôxy để hình thành các peoxyt có tính chất của cá hợp chất nổ (khả năng bốc cháy cao) Khả năng xuất hiện kích nổ được quyết định bởi ba nhóm yếu tố sau đây: -Tính chất của hỗn hợp cháy

-Đặc điểm của cấu tạo của động cơ

-Chế độ làm việc của động cơ

Với hỗn hợp cháy có thành phần khác nhau và loại nhiên liệu khác nhau, tính chất và tốc độ của cá phản ứng tiền ngọn lửa sẽ khác nhau, có khả năng kích nổ cũng khác nhau Ví dụ xăng chứa nhiều hydrocacbon loại parafin mạch thẳng dễ bị kích nổ hơn xăng chứa nhiều hydrocacbon loại aromatic mạch vòng do việc phá vở cấu trúc của các phân tử aromatic khó hơn so với các phân tử parafin

Đặc điểm cấu tạo động cơ (ví dụ: cấu hình của buồng đốt, số lượng và vị trí của buji, tỷ số nén, vật liệu chế tạo piston và nắp xylanh,.v.v ) và chế độ làm việc của động cơ (ví dụ: tốc độ quay, tải, chế độ làm mát v.v ) có liên quan trực tiếp áp suất và nhiệt độ của phần hoà khí chưa cháy Tất cả những yếu tố góp phần làm tăng áp suất và nhiệt độ của phần hoà khí cuối cũng như thời gian mà phần hoà khí

đó chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao đều có thể làm tăng khả năng kích nổ

b) Cháy sớm

Cháy sớm là hiện tượng hoà khí được đốt cháy bởi những vật thể có nhiệt

độ đủ cao (các cực của buji, nấm xupap xả, muội than đang cháy ,v.v) trước khi có tia lửa điện của buji

Quá trình lan truyền ngọn lửa trong trường hợp cháy sớm cũng tương tự như khi cháy bình thường Nếu hiện tượng cháy sớm xuất hiện đúng hoặc rất gần thời điểm buji đánh lửa thì nó không gây ra tác hại gì đáng kể Ngược lại, nếu hoà khí được đốt cháy sớm hơn nhiều so với thời điểm đánh lửa tối ưu sẽ dẫn đến hàng loạt hậu quả như:

-Công suất và hiệu suất động cơ giảm do tiêu hao cho quá trình nén tăng bởi vì phải nén môi chất công tác có áp suất cao hơn

-Phụ tải cơ và phụ tải nhiệt của động cơ tăng do áp suất và nhiệt độ cực đại của môi chất công tác cao hơn

-Cháy rất dễ kéo theo kích nổ do áp suất và nhiệt độ trong xylanh cao hơn -Cháy sớm có xu hướng xuất hiện sớm hơn Ở động cơ nhiều xylanh, cháy sớm thường xuất hiện và phát triển và không giống nhau trong các xylanh khác nhau Nếu cháy sớm chỉ xuất hiện trong một hoặc vài xyalnh thì rất khó phát hiện

do tiếng ồn của động cơ trong quá trình làm việc Điều đó có thể gây ra hậu quả rất nghiêm trọng như gẩy thanh truyền, trục khuỷu ,.v.v… nếu trong một xylanh nào đó cháy sớm xảy ra khi piton còn ở rất xa so với động cơ trong hành trình nén

Hiện tượng cháy sớm ở động cơ xăng có thể khắc phụ bằng cách chọn “độ nóng” của buji phù hợp với đặc điểm của động cơ, ngăn ngừa hiện tượng kết muội than trong buồng đốt,v.v…

Hình vẽ 1.5: Đồ thị công khi cháy bình thường

và đồ thị công khi cháy sớm (ac s z s ba)

c) Những hiện tượng cháy không bình thường khác

•Nổ trong ống xả -là hiện tượng nhiên liệu phát hỏa trong đường ống xả của

động cơ Nguyên nhân của hiện tượng này là do hỗn hợp cháy quá đậm (nhiên liệu

sẽ cháy không hoàn toàn) hoặc quá loãng (tốc độ cháy nhỏ, cháy rớt tăng), hoặc do hiện bỏ lửa ở một vài xylanh ở một vài xylanh,v.v…dẫn đến tình trạng tồn tại một lượng hỗn hợp cháy trong đường ống xả lượng hỗn hợp cháy này sẽ phát hỏa nếu tiếp xúc với vật thể có nhiệt độ cao, ví dụ muội than nóng đỏ trong khí thải Hiện tượng nổ trong ống xả có thể khắc phục bằng cách điều chỉnh đúng bộ chế hòa khí

để hỗn hợp cháy có thành phần thích hợp và khắc phục hiện tượng bỏ lửa

•Nổ trong ống nạp - Hiện tượng nổ trong ống nạp có thể xuất hiện trong quá

trình khởi động động cơ hoặc khi động cơ chạy ở chế độ tốc độ thấp Nguyên nhân của hiện tượng này là do sản phẩm cháy lọt vào đường ống nạp và nếu sản phẩm cháy có nhiệt độ đủ cao hoặc trong sản phẩm cháy có những vật thể có nhiệt cao sẽ làm cho hòa khí trong ống nạp phát hỏa

•Hiện tượng khó tắt máy sau khi đã ngắt điện - trong một số trờng hợp

động cơ vẫn tiếp tục hoạt động ở chế độ không tải sau khi đã ngắt điện đến buji với những tiếng nổ đanh và không ổn định Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là động cơ có tỷ số nén cao nên nhiệt độ khá cao ở cuối hành trình nén kết hợp với những yếu tố khác (ví dụ trong buồng đốt có những vật thể nóng có nhiệt độ cao

hơn bình thường) có khả năng làm cho nhiên liệu phát hỏa Hiện tượng này được khắc phục bằng cách trang bị một cơ cấu cho phép cắt hoàn toàn nhiên liệu đến

Bảng 1: Ảnh hưởng của thành phần hoà khí (a) đến

quá trình cháy trong động cơ xăng

c)Kết cấu buồng cháy và vị trí đặt buji

Kết cấu buồng cháy và vị trí đặt buji có ảnh hưởng đến:

Hệ số α Ảnh đến quá trình cháy 0,40÷0,50 Thiếu O2 hòa khí không cháy được Giới hạn trên của thành pần hòa khí 0,50÷0,85 Hỗn hợp đậm: Sn giảm, nhiên liệu cháy không hết → ge tăng

0,85÷0,95 {Sn ,Tz ,pz ,Ni} → max, ti → min Thành phần hòa khí Dễ kích nổ 0,95÷0,105 Các giá trị thay đổi dần về hướng hòa khí tiết kiệm

1,05÷1,10 Nhiên liệu cháy hoàn toàn, ηi → max Thành phần tiết kiệm 1,10÷1,30 Hòa khí loãng, cần có biện pháp thích hợp bảo đảm cho hòa khí cháy 1,30÷1,40

Hòa khí quá loãng, không thể lan truyền màng lửa do khoảng cách giữa các phân tử nhiên liệu quá lớn → không cháy được

Giới hạn dưới của thành phần hòa khí

-Khả năng cháy kích nổ Với tốc độ lan truyền ngọn lửa như nhau, tốc độ cháy và tốc độ áp suất trong xylah

sẽ tăng tỷ lệ thuận với bề mặt ngọn lửa

Nếu đặc buji ở phần hẹp của buồng cháy, lượng hòa khí và ngọn lửa ban đầu nhỏ dẫn đến tốc độ tăng áp suất ban đầu nhỏ

Trong trường hợp ngược lại tốc độ tăng áp suất sẽ rất lớn ngay ở giai đoạn đầu của quá trình cháy

Nếu đặt buji gần sát xupap nạp, xupap xả sẽ làm tăng hơi nóng nâng cao nhiệt độ khối hòa khí ở cuối hành trình màng lửa, do đó tăng khuynh hướng kích nổ Vì vậy, cần đặt buji sát khu vực giữa buồng cháy và gần bộ phận nóng nhất của buồng cháy

Vị trí đặt buji trong buồng cháy khác nhau sẽ đòi hỏi số octan của nhiên liệu khác nhau

Hình dáng và kết cấu buồng cháy và vị trí đặt buji còn ảnh hưởng đến khả năng cháy kích nổ của động cơ Khả năng cháy kích nổ càng lớn khi thời gian lan truyền ngọn lửa trong buồng đốt kéo dài

d) Góc đánh lửa sớm

Góc đánh lửa sớm phải chọn được thời điểm có lợi nhất Góc đánh lửa quá sớm hoặc quá muộn cũng đều không có lợi cho quá trình công tác của động cơ

e)Tốc độ của động cơ

Khi tăng tốc độ của động cơ, cải thiện được quá trình hòa trộn của hòa khí trong khí nén, nhiệt độ cuối quá trình nén Tc, do đó gia tăng quá trình chuẩn bị cháy của hòa khí và kết quả sẽ làm tăng tốc độ lan truyền màng lửa, giảm kích nổ Tuy nhiên tăng tốc độ của động cơ sẽ làm tăng quá trình cháy rớt

1.1.4 Quá trình cháy trong động cơ diesel 1.1.4.1 Yêu cầu và đặc điểm của quá trình cháy tong động cơ diesel.

Ø Yêu cầu

Bảo đảm cho nhiên liệu đựơc cháy hoàn toàn, cháy kịp cho hóa năng của nhiên liệu chuyển hết thành nhiệt năng, rồi từ nhiệt trưng chuyển thành cơ năng một cách có hiệu quả nhất

Ø Đặc điểm

-Nhiên liệu động cơ diesel có độ nhớt lớn, khó bay hơi nên không thể hòa trộn trước ở bộ chế hòa khí như xăng, mà đươc phun dưới dạng sương mù vào trong xylanh có áp suất và nhiệt độ rất cao cùng với sự chuyển động xoáy lốc mãnh liệt của không khí trong buồng đốt, để tạo hỗn hợp bên trong động cơ

- Quá trình hình thành hỗn hợp bao gồm: nhiên liệu được sấy nóng và bay hơi, khuếch tán, bị phân hủy thành các gốc tự do, va chạm với các phân tử ôxy tạo thành các phản ứng ôxy hóa ở tốc độ rất cao tạo nên quá trình cháy, thời gian của các bước trên chỉ chiếm từ vài phần trăm đến vài phần nghìn giây (15÷35)0 gqtk

-Hỗn hợp cháy trong động cơ diesel là hỗn hợp không đồng nhất, yêu cầu hệ số a

lớn (a >1)

- Nhiên liệu được cấp vào xylanh trong một khoảng thời gian xác định, trong suốt thời kì phun nhiên liệu, thành phần hỗn hợp khí biến động liên tục

-Khác với động cơ xăng, trong động cơ diesel; là quá trình cháy thể tích, sự bốc

cháy đồng thời diễn ra ở nhiều trung tâm bốc cháy khác nhau

1.1.4.2.Diễn biến quá trình cháy trong động cơ diesel

Người ta phân quá trình cháy trong động cơ diesel làm 4 giai đoạn

I-giai đoạn cháy trể; II-giai đoạn cháy

nhanh; III-giai đoạn cháy chính;

IV-giai đoạn cháy rớt; 1-điểm phun nhiên liệu; 2-điểm bắt đầu xuất nhưng trung tâm cháy đầu tiên; 3-điểm có áp suất và nhiệt độ đạt cực đại; 4-điểm ó

áp suất bắt đầu giảm;q -góc cháy trể

Hình vẽ 1.6: Quá trình cháy của động cơ diesel (gqtk)

a) Giai đoạn 1-giai đoạn cháy trể (giai đoạn chậm bốc cháy ) được tính từ khi

nhiên liệu bắt đầu được phun vào xylanh động cơ đến khi bắt đầu xuất hiện các trung tâm bốc cháy (điểm 1 ® 2)

q

4 2

3

1

j

P

Thời gian cháy trể được tính bằng mili giây (ti) hoặc góc quay trục khuỷu (ji) Lượng nhiên liệu phun vài trong thời gian cháy trể (gi) Thời gian cháy trể kéo dài khoảng phần nghìn giây và trong thời gian đó khoảng 30 ÷40 % lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình đã được phun vào Ở các động cơ có tốc độ cao lượng nhiên liệu có thể phun đến 100% gct (gi=gct)

b) Giai đoạn 2-giai đoạn cháy nhanh (ban đầu, không điều khiển ).Bắt đầu

khi đuờng cong áp suất tách khỏi đuờng cong nén trong xylanh đạt giá trị cực đại (điểm 2® 3 ), trong các động cơ cao tốc pz thường xuất hiện ở vị trí (6÷ 10)0 gqtk sau ĐCT Đặc điểm của thời kì này là:

- Nguồn lửa được hình thành, tốc độ cháy nhanh, tốc độ toả nhiệt thường rất lớn, ở cuối hành trình này số nhiên liệu bốc cháy chiếm khoảng 1/3 nhiên liệu cung cấp cho chu trình Giai đoạn này có thể xem như là quá trình cấp nhiệt đẳng tích

- Nhiệt độ và áp suất tăng nhanh, áp suất cao nhất tới (6 ÷ 9 Mpa)

- Nhiên liệu được phun vào buồng cháy, làm tăng nồng độ cháy trong hỗn hợp cháy

Các thông số đặc trưng cho thời kì này là:

Tốc độ tăng áp suất trung bình Wtb

Wtb =

c z

c

z P P

ti lớn thì các giá trị Wtb ,Pz và l sẽ lớn

c) Giai đoạn 3 – giai đoạn cháy chính (có điều khiển, cháy chậm )

Bắt đầu từ điểm 3 và kết thúc tại điểm 4 (điểm có nhiệt độ lớn nhất, khoảng sau ĐCT ( 20 ÷ 25 0 gqtk ) Đặc điểm của thời kì này là:

-Quá trình cháy tiếp diễn với tốc độ cháy lớn, cuối thời kì này nhiệt lượng toả ra chiếm khoảng 70 ÷ 80% nhiệt lượng cung cấp cho chu trình Công suất của động sinh ra chủ yếu trong giai đoạn này

-Thời kỳ này thông thường đã kết thúc phun nhiên liệu, lượng khí trơ (hơi nước, khí

CO2, tăng nhanh làm giảm đáng kể lượng ôxy Nếu chất lượng hoà trộn nhiên liệu

và không khí không tốt sẽ dẫn đến có khu vực trong buồng cháy còn tồn dư nhiều nhiên liệu, hoặc các hạt nhiên liệu chưa được hoá hơi Lượng ôxy còn lại rất khó tiếp xúc với các phân tử nhiên liệu và ôxy hoá nó một cách hoàn toàn Dưới tác động của nhiệt độ cao các phân tử nhiên liệu lại dễ bị phân huỷ và cacbon có trong nhiên liệu thường được giải phóng dưới dạng bồ hóng rất khó ôxy hoá, không được đốt cháy ở giai đoạn sau bị thải ra ngoài nên khói có mầu đen

-Giai đoạn có thể xem như cấp nhiệt đẳng áp

d) Giai đoạn 4 – giai đoạn cháy rớt là hiện tượng kéo dài trên đường giãn nở

Bắt đầu từ điểm 4 đến khi cháy kết thúc Đặc điểm của giai đoạn này là:

-Tốc độ cháy giảm dần tới kết thúc cháy, do đó tốc độ toả nhiệt cũng giảm tới không

-Do thể tích môi chất công tác Trong xylanh tăng dần nên áp suất và nhiệt độ đều hạ thấp

Trên động cơ diesel hượng tượng cháy rớt thường nghiêm trọng hơn động cơ xăng,

do đó động cơ diesel thường phải có dư lượng không khí lớn (a =1,3÷ 2,0)

Cháy rớt là hiện tượng không có lợi vì:

-Tăng tổn thất nhiệt cho nước làm (do diện tích tiếp xúc của môi chất công tác với vách xylanh tăng) làm giảm hiệu suất của động cơ

-Tăng tổn thất nhiệt cho khí thải

-Tăng nhiệt độ của động cơ nhất là các chi tiết tiếp xúc trực tiếp với môi chất công tác và diện tích lưu thông của xúpap thải

Qua quá trình phân tích trên đối với quá trình cháy trong động cơ diesel chúng ta nhận xét:

-Để động cơ diesel hoạt động tin cậy (đặc biệt khi khởi động lạnh), cần phải bảo đảm cho nhiên liệu có điều kiện cháy tốt để tự bốc cháy

-Để cho động cơ diesel chạy êm, ít gõ, có tuổi thọ cao thì tốc độ tăng áp suất dp/dw,

áp suất cực đại Pz của giai đoạn 2 không đuợc vượt quá giới hạn cho phép Phải có biện pháp rút ngắn thời gian cháy trể ti, giảm lượng nhiên liệu trong thời gian cháy trể gi và hỗn hộn cháy trong thời gian này cần phải chuẩn bị tốt

-Để cho nhiên liệu cháy hoàn toàn, kịp thời năng cao các tính năng động lực và kinh

tế của động cơ, giảm khói đen, cần cải thiện và tăng cường hoà trộn giữa nhiên liệu

và không khí trong suốt quá trình cháy

1.1.4.3 Ảnh hưởng của những nhân tố chính tới quá trình cháy trong động cơ diesel

a) Ảnh hưởng của tỷ số nén

-Tăng tỷ số nén e làm tăng nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén, làm tăng tốc độ sấy nóng, bay hơi và phản ứng hoá học, rút ngắn thời kỳ cháy trể, nên tốc độ tăng

áp suất của thời kỳ cháy ban đầu tương đối thấp Tuy nhiên, nếu tỷ số nén quá lớn

sẽ làm cho pz tăng lên quá nhiều làm gia tăng quá mức phụ tải lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, làm giảm tuổi thọ, độ tin cậy của động cơ

-Việc chọn tỷ số nén cho động cơ diesel cần dựa vào điều kiện cụ thể Đối với động

cơ có đường kính xylanh nhỏ, buồng cháy dự bị, buồng cháy xoáy lốc cần chọn tỷ

số nén cao hơn so với buồng cháy thống nhất

- Động cơ cao tốc do yêu cầu của hình thành hoà khí và khởi động lạnh cũng cần chọn e cao để nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén Tc, pc đủ lớn để dễ khởi động lạnh cũng như chất lượng tạo hoà khí được tốt

b)Ảnh hưởng của qui luật cung cấp nhiên liệu

Quy luật cung cấp nhiên liệu là sự thay đổi lượng nhiên liệu cung cấp vào trong xylanh động cơ theo góc quay trục khuỷu, phương trình mô tả : gct=f(j) trên

hình vẽ 1.7

Hình 1.7: Ảnh của quy luật cung cấp nhiên liệu

Theo quy luật 1 thì lượng nhiên liệu phun vào trong xylanh trong thơì kỳ cháy trể là gi1 tương đối ít dẫn đến tốc độ tăng áp suất nhỏ, động cơ làm việc êm, tuy nhiên quá trình cháy kéo dài sang đường giản nở làm giảm hiệu suất nhiệt cùng một lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình gct, rút ngắn thời gian cung cấp nhiên liệu theo quy luật 2, sẽ làm tăng nhiên liệu trong thời gian cháy trể gi2 làm cho tốc độ áp suất của thời kì cháy ban đầu lớn, rút ngắn được thời gian cháy làm tăng công suất và hiệu suất của động cơ, tuy nhiên hoạt động của động cơ “cứng” hơn

Vì vậy thay đổi quy luật cung cấp nhiên liệu là một biện pháp dùng để hạn chế tính

“cứng” và nâng cao hiệu suất của động cơ Quy luật phun nhiên liệu hợp lý nhất là: Lúc bắc đầu phun, cần phun nhỏ, áp suất phun thấp, để giảm nhiên liệu vào xylanh trong thơì kì cháy trể Giai đoạn đầu và giai đoạn cuối quá trình phun cần tăng nhanh tốc độ và áp suất phun làm cho lượng nhiên liệu phun vào xylanh tăng nhanh

2 1

2 1

Để giảm lượng nhiên liệu phun trong thời kì cháy trể, người ta còn áp dụng quy luật phun phân cấp: hai quả đào nhiên liệu hoặc bơm cao áp hai piston

c) Ảnh hưởng của góc phun sớm j s

Khi tăng js ,(nghĩa là phun sớm hơn so với góc phun hợp lý ) do nhiên liệu được phun vào khối không khí có áp suất và nhiệt độ không lớn, điều kiện chuẩn bị vật lý và và hoá học cho quá trình cháy kém đã kéo dài thời kỳ cháy trể làm cho tốc

độ tăng áp suất và áp suất cực đại pz tăng cao, động cơ làm việc “cứng” hơn

Khi giảm js (nghĩa là phun muộn hơn so với góc phun hợp lý ) quá trình cháy sẽ kéo dài sang kỳ giản nở, do đó làm giảm tốc độ tăng áp suất, tăng nhiệt độ khí xả, tăng tổn thất nhiệt cho nước làm mát và giảm hiệu suất động cơ

d) Ảnh hưởng của chất lượng phun nhiên liệu

Chất lượng phun nhiên liệu ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy trong động cơ diesel

Khi nhiên liệu không được phun tơi và phân bố không đồng đều trong không gian buồng cháy sẽ gây khó khăn cho sự hình thành hoà khí, kéo dài thời gia cháy rớt, làm giảm công suất và hiệu suất động cơ, ngoài ra còn thải khói đen gây ô nhiểm môi trường, tích muội than trên thành buồng đốt làm cho động cơ không hoạt động bình thường

e) Ảnh hưởng của tốc độ quay của động cơ (n)

Tốc độ quay ảnh đến quá trình cháy theo hai chiều trái ngược nhau Tốc độ quay tăng sẽ làm cho chất lượng phun nhiên liệu và tăng cường độ chuyển động rối của môi chất công tác, điều đó có ảnh hưởng đến quá trình cháy Tuy nhiên, tốc độ quay càng cao thì góc cháy càng lớn Nếu tốc độ tạo hỗn hợp cháy không thoả đáng thì lượng nhiên liệu cháy rớt sẽ tăng nhanh Chính vì vậy để nâng cao chất lượng quay của động cơ diesel, người ta phải áp dụng các biện pháp nhằm tăng tốc quá trình tạo hỗn hợp cháy, phát hoả và cháy, ví dụ: sử dụng nhiên liệu có chỉ số octane cao, hệ thống phun nhiên liệu kiểu bơm cao áp- vòi phun liên hợp với áp suất phun rất lớn (tới 1500 bar) để phun nhiên liệu thành hạt rất nhỏ, buồng đốt ngăn cách để

tạo hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng phun thứ cấp và chuyển động rối rất mạnh của môi chất công tác,.v.v

f) Tải của động cơ

Tải của động cơ cũng ảnh hưởng đến quá trình cháy theo hai chiều hướng ngược nhau Ở những chế độ tải lớn hơn, nhiệt độ và áp suất trong xylanh cao hơn

sẽ có tác dụng tăng tốc độ cháy Tuy nhiên, để đốt cháy hoàn toàn lượng nhiên liệu chu trình lớn hơn cần phải có nhiều thời gian hơn Khác với động cơ xăng, mức độ tăng tốc độ cháy thường không bù đắp hết mức độ tăng thời gian cháy nên ở động

cơ diesel thường phải tăng góc phun sớm khi tăng tải để đảm bảo yêu cầu cháy gần ĐCT

1.2 NGUYÊN NHÂN CÓ KHÓI ĐEN TRONG KHÍ XẢ

Nguyên nhân gây nên khói đen trong khí xả có nhiều nguyên nhân gây nên sau đây trình bày một vài nguyên nhân thương gặp:

Ø Áp suất phun thấp: vòi phun dùng để phun nhiên liệu theo một hướng xác định với một vận tốc nhất định vào buồng đốt của động cơ dưới một áp suất thích đáng Theo nguyên lý làm việc, vòi phun được chia làm 2 loại vòi phun kín và vòi phun hở

Ở động cơ ЯM3-236 và ЯM3-238 vòi phun được đặt trên nắp xylanh, đầu vòi phun hướng vào buồng cháy Khi làm việc, nếu áp suất phun nhiên liệu thấp thì không thể hình thành tia phun tốt và chất lượng hoá hơi của nhiên liệu cũng xấu Khi

ấy công suất động cơ cũng giảm xuống, khí thải có màu đen, và động cơ làm việc rất

tệ ở số vòng quay thấp

Ø Dầu nhớt lọt vào buồng cháy do các chi tiết của nhóm piston-xylanh bị mòn: khi sử dụng động cơ lâu ngày nhóm piston-xylanh bị mòn, làm cho sự nén yếu đi Khi đó khả năng dầu nhờn từ cacte lọt vào buồng cháy tăng lên

Dầu nhờn lọt vào buồng máy trong thời kì nén của động cơ và cháy dưới tác dụng của nhiệt độ cao (600÷7000) của không khí nén trong buồng cháy Trong trường hợp đó, khí thải có màu đen

Ø Nhiệt độ nước trong hệ thống làm mát thấp: muốn cho động cơ làm việc tốt nhất, nhiệt độ nước làm mát khi ra khỏi phải luôn luôn nằm trong phạm vi (85÷950) Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 700, nhiên liệu cháy không hết Do đó khí thải có màu nâu

Ø Lò xo kim phun bị gẫy: Lò xo kim phun có tác dụng tạo ra áp suất phun Trong quá trình sử dụng , lò xo kim phun có thể bị gãy và kim phun luôn luôn ở trạng thái mở, khi ấy nhiên liệu sẽ vào buồng cháy của động cơ dưới dạng tia chất lỏng (không dưới dạng sương) Tất nhiên, trường hợp đó công suất và hiệu suất động

cơ sẽ giảm và khí thải có màu đen

Ø Van cao áp của bỏm cao áp không hoạt động: trong quá trình sử dụng lâu dài

có thể xảy ra hiện tượng đầu van cao áp của bơm cao áp bị gãy Khi ấy nhiên liệu bị nhỏ giọt ở đầu vòi phun Khí thải có màu đen và công suất động cơ bị giảm

Ø Ở động cơ xăng hỗn hợp cháy được hình thành bên ngoài buồng cháy, khi ấy nhiên liệu đi qua jiclơ của bộ chế hoà khí nếu nhiên liệu không được dòng không khí

sé tơi, hoá hơi tốt mà còn những hạt to thì quá trình cháy sẽ diễn ra không tốt Do những hạt sẽ ôxyt hoá trong quá trình cháy tạo nên muội than Khi ấy khí thải có màu đen

Ø Sự hình thành bồ hóng do nhiên liệu cháy không hoàn toàn tạo thành muội

than, khí thải có màu đen

Trong trường hợp a < 1, do thiếu ôxy một phần C và H2 không được ôxy hoá hoàn toàn thành CO2 và H2O và trong sản phẩm cháy sẽ có thêm CO và H2 Kết quả phân tích thành phần sản phẩm cháy không hoàn toàn ở ĐCĐT cho thấy rằng: tỷ số giữa hàm lượng hydro chưa cháy (

2

H

M và hàm lượng ôxyt cacbon (MCO) có trong sản phẩm cháy hầu như không đổi và không phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí (a) ký hiệu tỷ số này là K, ta có:

c[kmol]O2 =

12

.c C

j

c[kg]CO (1.19) khi toàn bộ số C trong nhiên liệu cháy thành CO2 và CO thì tổng sản phẩm cháy C sẽ là:

j

= 12

c ( kmol/kg ) (1.20) Trong đó: c -là hàm lượng tính theo khối lượng của Cacbon

φC - là phần cacbon bị ôxy hoá thành CO2

2

CO

M - là số kmol chất khí CO2 có trong sản phẩm cháy

MCO - là số kmol chất khí CO có trong sản phẩm cháy

2

2

1

2 2

h h h

M

H O

H + = -j +j = ( kmol/kg ) (1.23) Trong đó: h-là hàm lượng tính theo khối lượng của Hydro

φH -là phần H2 chưa cháy thành H2O (1- φH )- là phần H2 cháy thành H2O

M H2O- là số kmol chất khí H2O có trong sản phẩm cháy

2

H

M - là số kmol chất khí H2 có trong sản phẩm cháy

· Tổng lượng sản phẩm cháy trong trường hợp cháy không hoàn toàn:

2O H

2O H

f

o

) +32

O H

- Khí xả có màu đen là do nhiều nguyên nhân khác nhau; nhưng những nguyên nhân đó có thể tóm tắt thành hai nguyên nhân chính:

® Sử dụng quá tải

® Tình trạng kỹ thuật xấu đi ® cháy không hoàn toàn

- Do vậy việc nhận biết khí xả có màu đen ® cảnh báo cho người sử dụng biết để phân tích và tìm nguyên nhân khắc phục tình trạng của động cơ

Chương 2

CẢM BIẾN VÀ VI ĐIỀU KHIỂN

2.1 CẢM BIẾN DÙNG TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.1.1 Phân loại cảm biến dùng trên động cơ đốt trong

Trên động cơ ngày nay người ta sử dụng rất nhiều cảm biến nhằm kiểm tra động cơ thuận lợi chính xác an toàn hơn Chúng được phân loại như sau:

2.1.1.1 Phân loại theo nguyên lý làm việc

· Cảm biến quang · Cảm biến nhiệt độ

-Cảm biến theo phép đo dịch chuyển

· Cảm biến gia tốc và rung

· Cảm biến đo vận tốc, lưu lượng và mức chất lỏng:

-Cảm biến dùng chất điện phân

-Cảm biến trở kháng biến thiên

· Cảm biến đo lượng khí nạp

-Cảm biến đo gió kiểu cánh trượt

-Cảm biến đo gió dạng xoáy lốc

-Cảm biến đo gió kiểu dây nhiệt

-Cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp

· Cảm biến tốc độ động cơ và vị trí piston:

-Cảm biến điện từ

-Cảm biến quang

-Cảm biến Hall

· Cảm biến bướm ga

-Cảm biến loại công tắc

-Cảm biến loại biến trở

-Cảm biến có thêm các giắc phụ

· Cảm biến nước làm mát:

-Cảm biến theo nhiệt độ nước làm mát

-Cảm biến theo nhiệt độ khí nạp

· Cảm biến khí thải hay cảm biến ôxy:

-Cảm biến ôxy với thành phần Zirconium

-Cảm biến ôxy với thành phần Titanium

· Cảm biến tốc độ xe

· Cảm biến kích nổ

· Cảm biến Hac (Bù độ cao)

2.1.2 Đặc điểm cấu tạo– nguyên lý làm việc của cảm biến quang

Cảm biến quang bao gồm nhiều loại khác nhau chủ yếu ở phần tử cảm quang:

2.1.2.1 Photođiot

a) Nguyên lý hoạt động

Sự chuyển tiếp của hai bán dẫn loại n và loại p (chuyển tiếp P-N) tạo nên vùng nghèo hạt dẫn bởi vì ở đó tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế VbKhi không có điện thế đặc bên ngoài chuyển tiếp (V=0), dòng điện qua chuyển tiếp I=0 Thực tế I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau và ngược chiều: -Dòng khuếch tán hạt dẫn cơ bản sinh ra khi ion hoá tập chất (lỗ trống bán dẫn loại

P và điện tử trong bán dẫn loại N) Năng lượng nhiệt của các hạt dẫn cơ bản đủ lớn

để có thể vượt qua hàng rào thế

-Dòng hạt dẫn không cơ bản (do kết qả hình thành của các cặp khi có kích thích nhiệt: điện tử trong bán dẫn loại P và lỗ trống trong bán dẫn loại N), chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường trong vùng nghèo

Khi đặt điện thế lên điot, chiều cao của hàng rào thế sẽ thay đổi kéo theo sự thay đổi của dòng hạt dẫn cơ bản I và bề rộng vùng nghèo Điện áp Vd đặt lên chuyển tiếp sẽ xác định dòng điện I:

điện trường

chuyển tiếp Vùng nghèo

V b

Hình 2.1: Chuyển tiếp P-N và hàng rào thế của

nó

Hình 2.2: Hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo của chuyển tiếp P-N

của chúng tức là phải nhanh chóng tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của điện trường Điều này chỉ có thể xảy ra trong vùng nghèo và sự chuyển dời của các điện tích đó (cùng hướng với hướng chuyển động của các hạt dẫn không cơ bản) kéo theo sự gia tăng của dòng ngược Ir

Điều quan trọng là ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi đi qua một bề dầy đáng kể của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng không nhiều Càng đi sâu vào chất bán dẫn thông lượng Φ càng giảm:

Hình 2.3: Cấu trúc điot loại PIN

P N

N I P

riêng I được kẹp giữa hai lớp bán dẫn loại P và N Việc mở rộng bề rộng của vùng nghèo tỷ lệ với điện trở suất của vật liệu, nó đặc biệt quan trọng ở vùng chuyển tiếp

PI và IN Chỉ cần một điện áp ngược cỡ vài vôn cũng đủ để mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I

Các vật liệu thường dùng để chế tạo photođiot là Si, Ge (vùng ánh sáng nhìn

thấy và hồng ngoại gần) và GaAs, InSb, HgCdTe (vùng hồng ngoại)

b) Độ nhạy

Đối với bức xạ có phổ xác định, dòng quang điện Ip tỷ lệ tuyến tính với thông lượng trong một khoảng thông lượng tương đối rộng, cỡ 5-6 decad Độ nhạy phổ được xác định như sau:

hc

X R

q I

độ nhạy phổ đồng thời phải biết giá trị của lp Thông lượng S(lp) nằm trong khoảng

từ 0,1 đến 1 A/W

Hệ số nhiệt của dòng quang dẫn

dT

dI I

p

p

.

1 ta có giá trị khoảng 0,1%/0C

c) Sơ đồ sử dụng photo điot

Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng photo điot mà người ta chọn chế độ làm

việc cho nó

1) Chế độ quang dẫn Chế độ quang dẫn được đặc trưng bởi tuyến tính cao, thời gian hồi đáp ngắn và dải thông lớn Dưới đây là một sơ đồ đo dòng ngược Ir trong chế độ quang dẫn

Sơ đồ sơ sở (hình 2.4a):

V0 = Rm ú

û

ù ê ë

é +

Tăng điện trở Rm sẽ làm giảm nhiễu Tổng trở vào của bộ khuếch đại phải lớn để

tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng của điot

R1cpl = R2C2 Bộ khuếch đại sử dụng ở đây phải có dòng vào rất nhỏ và sự suy giảm

do nhiệt cũng phải giảm đáng kể

Hình 2.4: Sơ đồ mạch đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn

2) Chế độ quang thế Các đặc điểm của chế độ này là:

- Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải

- Ít nhiễu

- Thời gian hồi đáp lớn và dải thông nhỏ

- Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ đo logarit

Sơ đồ tuyến tính đo dòng: ( đo dòng ngắn mạch ISC) theo sơ đồ trên (hình 2.5a)

Trong chế độ này:

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Phototranzito là các tranzito silic loại NPN mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, không có điện áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược

Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ trên chuyển tiếp B –C (phân cực ngược) trong khi đó chênh lệch điện thế giữa E và B thay đổi không đáng kể (Vbe≈ 0,6 ÷ 0,7V) Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó sẽ hoạt động giống photo điot ở chế độ quang dẫn với dòng ngược:

) 1

hc

X R

b) Sơ đồ dung phototranzito

Photo tranzito có thể dùng làm bộ chuyển mạch, hoặc làm phần tử tuyến tính Ở chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với photo điot là cho phép điều khiển một cách trực tiếp dòng chạy qua tương đối lớn Ngược lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dù nó có ưu điểm là cho độ khuếch đại, nhưng người ta vẫn thích dùng photo điot có độ tuyến tính tốt hơn

1) Phototranzito chuyển mạch Trong trường hợp này sử dụng thông tin dạng nhị phân: có hay không có bức

xạ, hoặc là ánh sáng lớn hơn hay không lớn hơn ngưỡng (chiếu sáng) Tranzito chặn hoặc bảo hoà cho phép điều khiển trực tiếp (hoặc sau khi khuếch đại) như một rơle, điều khiển một cổng logic hoặc một thyricto

vào nhỏ)

2) Phototranzito trong chế độ tuyến tính

Có hai cách dụng phototranzito trong chế độ tuyến tính Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi, hoặc là sử dụng phototranzito giống như một luxmet

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của luxmet

Trong trường hợp thứ hai, để nhận tín hiệu thay đổi dạng:

3) Phototranzito hiệu ứng trường (photoFET)

Phototranzito hiệu ứng trường (photoFET) là một loại linh kiện được sử dụng rất rộng rãi Sơ đồ tương đương của tranzito hiệu ứng trường biểu diễn trên hình 2.8

Hình 2.8: Phototranzito hiệu ứng trường

Trong tranzito hiệu ứng trường, ánh sáng được sử dụng để làm thay đổi điện trở kênh Việc điều khiển dòng máng ID thực hiện thông qua sự thay đổi điện áp VGS

-E g

D S

giữa cổng và nguồn Trong chế độ phân cực ngược chuyển tiếp PN giữa cổng và kênh, điện áp này sẽ xác định độ rộng của kênh và do đó dòng máng có dạng:

ID = IDSS

2

1 ÷÷øöçç

è

æ +

Trong đó IDSS là dòng máng khi VGS = 0, VP là điện áp thắt kênh

Khi được chiếu sáng, chuyển tiếp PN giống như một photo điot cho dòng ngược Ir:

với IP = Sg.Φ Trong biểu thức (2.14) trên: I0 là dòng điện trong tối (ở 25 0C I0 có giá trị cỡ nA và tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng thêm 10 0C), IP là dòng quang điện,

Sg là độ nhạy của điot cổng – kênh, Φ là thông lượng ánh sáng

Dòng Ir chạy qua điện trở Rg của mạch cổng xác định điện thế VGS và dòng máng:

Trong đó Eg là điện thế phân cực của cổng Một ứng dụng quan trọng của phototranzito hiệu ứng trường là biến điện áp bằng ánh sáng Khi điện áp nguồn –máng nhỏ, tranzito hiệu ứng trường thể hiện giống như một điện trở RDS giữa nguồn và máng Giá trị của RDS được xác định bởi điện thế VGS Trong trường hợp phototranzito hiệu ứng trường, điện trở RDS có thể điều chỉnh được nhờ thay đổi thông lượng ánh sáng chiếu tới Nhờ tính chất này người ta

sử dụng phototranzito hiệu ứng trường để chế tạo bộ giảm điện áp điều khiển bằng

2.1.2.3 Điện trở quang

a) Nguyên lý làm việc

Điện trở quang là một loại linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp pn Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang là Cds (Cadmium Sulfid), CdSe (Cadmium Selenid), ZnS (Zinc Sulfid) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác

Khi bị chiếu sáng, độ dẫn điện (điện trở suất) của vật liệu bán dẫn gia tăng do các hạt mang điện tích được sinh ra thêm

n và p: là mật độ electron và lỗ trống

μn và μp: là độ di động của electron và lỗ trống

Với công thức (2.16) độ dẫn điện có thể gia tăng nhờ 2 cách:

1/ Gia tăng mật độ các hạt mang điện tích

2/ Gia tăng độ di động hiệu dụng

Quang điện trở được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực:

- Tắt mở đèn đường

- Autofocus trong các máy chiếu phim slide

- Đo ánh sáng với các máy chụp hình bỏ túi (flash enable)

- Công tắc ánh sáng

- Đều chỉnh độ entrast của ti vi

- Điều chỉnh cho các mặt hiện số LED và LCD

Hình 2.10: Cấu trúc của điện trở quang

b) Các đặc tính quan trọng của điện trở quang

Điện trở quang có 4 đặc tính quang trọng:

1 Độ dẫn suất σphot

Là hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng: σphot ( u ); l = const

2 Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ

Đó chính là độ dẫn suất σphot hàm số của l khi mật độ năng lượng không thay đổi:

Srel(l) = ( )

max

phot

phot

s

l s

d A

metal-film contact

cadmium sulphiide track

metal-film contact

l

Hình 2.11: Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ

3 Vận tốc làm việc

Vận tốc làm việc là thời gian hồi đáp (Reponse Time) của một quang trở khi

có sự thay đổi từ sáng sang tối (decay) hay từ tối sang sáng (rise) Thời gian lên được xác định là thời gian cần thiết để quang trở đạt 65% trị số cuối cùng khi được chiếu sáng từ 0 sang 10 lux

Thời gian trễ được xác định là thời gian cần thiết để một quang trở thay đổi còn 35% giá trị của nó (so với vị trí số lúc được chiếu - khoảng 10lux trong 1s) khi không còn được chiếu sáng

Với cường độ sáng mạnh, quang trở làm việc nhanh hơn Quang trở có khuynh hướng làm việc chậm đi khi trời lạnh Quang trở làm việc chậm hơn nếu được cất giữ trong bóng tối và làm việc nhanh hơn nếu được cất giữ ngoài ánh sáng

4 Tiếng ồn – NEP (noise equivalent power)

Đơn vị của NEP là (W/ H Z )

Khả năng dò tìm của 1 detector gọi là Detectivity d Với A là diện tích tích cực của một detector:

NEP

A

D có đơn vị là [ H Z W-1] Sau đây là một số đặc tín quan trọng khác của điện trở quang:

0 Bel.Sensitivity

Wavelength (nm)

Type 72 Type 60 SPECTRAL SENSITIVITY ( %)

100

50

900 800 700 600 500 400