汽车制造商现在距离能够用激光点火器取代这种长期存在的技术又向前迈进了一步

2019-04-12 16:13:53
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150多年来,火花塞一直为内燃机提供动力。汽车制造商现在距离能够用激光点火器取代这种长期存在的技术又向前迈进了一步,这将使车辆更清洁,更高效,更经济。

在过去,足以点燃发动机空气 - 燃料混合物的激光器太大而无法安装在汽车引擎盖下。在今年5月1日至6日在巴尔的摩举行的激光与电光学会议(CLEO:2011)上,来自日本的研究人员将描述第一款小到足以拧入发动机气缸盖的多波束激光系统。

同样重要的是,新的激光系统由陶瓷制成,并且可以大量廉价生产,据日本国立自然科学研究所的作者之一Takunori Taira说。

根据Taira的说法,传统的火花塞对提高燃油经济性和减少氮氧化物(NO x)的排放构成了障碍,氮氧化物是烟雾的关键组成部分。

火花塞通过在两个金属电极之间的间隙上发送小的高压电火花来工作。火花点燃发动机气缸中的空气 - 燃料混合物 - 产生受控爆炸,迫使活塞下降到气缸底部,产生移动车辆所需的马力。

发动机使NO x成为燃烧的副产品。如果发动机变得更稀薄 - 燃烧更多的空气和更少的燃料 - 它们会产生明显更小的NO x排放。

火花塞可以点燃更稀薄的燃料混合物,但只能通过增加火花能量。不幸的是,这些高电压如此快地侵蚀火花塞电极,该解决方案不经济。相比之下,点燃具有集中光能的空气 - 燃料混合物的激光器没有电极并且不受影响。

激光也提高了效率。传统的火花塞位于气缸顶部,仅点燃靠近它们的空气 - 燃料混合物。附近电极和气缸壁的相对冷的金属吸收爆炸产生的热量,在火焰开始膨胀时熄灭火焰前锋。

Taira解释说,Lasers可以将光束直接聚焦到混合物的中心。在没有淬火的情况下,火焰前锋的膨胀更加对称,比火花塞产生的火焰前端快三倍。

他说,同样重要的是,激光器在几纳秒内注入能量,相比之下,火花塞的毫秒数。“时间 - 快速燃烧 - 非常重要。时间越准确,燃烧效率越高,燃油经济性越好,”他说。

激光器承诺减少污染和提高燃油效率,但到目前为止,制造小型,强大的激光器已经证明是困难的。为了点燃燃烧,激光必须将光聚焦到大约100千兆瓦每平方厘米,每个短脉冲超过10毫焦耳。

“在过去,能够满足这些要求的激光器仅限于基础研究,因为它们很大,效率低,而且不稳定,”泰拉说。它们也不能远离发动机,因为它们强大的光束会破坏任何将光线传递给气缸的光纤。

Taira的研究团队通过用陶瓷粉末制造复合激光来克服这个问题。该团队将粉末加热,将它们融合成光学透明的固体,并在其中嵌入金属离子以调整其性质。

陶瓷比传统晶体更容易进行光学调谐。它们也更坚固,更耐用,并且具有导热性,因此它们可以消散发动机的热量而不会发生故障。

Taira的团队用两个钇铝镓(YAG)段制造激光器,一个掺钕,另一个掺铬。他们将两个部分粘合在一起,形成一个直径仅为9毫米,长度为11毫米(略小于半英寸)的强大激光。

该复合材料产生两个激光束,可同时在两个不同的位置点燃燃料。这将产生比单个激光照射的火焰壁更快且更均匀地生长的火焰壁。

激光强度不足以用单脉冲点亮最稀薄的燃料混合物。然而,通过使用几个800皮秒长的脉冲,它们可以注入足够的能量来完全点燃混合物。

泰拉说,商用汽车发动机需要60赫兹(或每秒脉冲序列)。他已经测试了100 Hz的新型双光束激光器。该团队还在开发一种三光束激光器,可以实现更快,更均匀的燃烧。

激光点火系统虽然很有前途,但尚未安装到工厂生产的实际汽车中。然而,Taira的团队正与一家大型火花塞公司以及丰田集团成员DENSO公司合作。

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