Vžigalna svečka že več kot stoletje zagotavlja preprost in zanesljiv način za vžig goriva-zmesi zraka. Toda ko se zgorevalni sistemi premikajo protiretke mešanice, višji tlaki, alternativna goriva in zahtevnejši pogoji delovanjainženirji podrobneje preučujejo, kako lahko sam vžig vpliva na učinkovitost zgorevanja.
Tukaj je laserski vžigpostane zanimivo.
Namesto ustvarjanja električne razelektritve med fiksnimi elektrodami laserski vžig uporablja usmerjen laserski impulz za odlaganje energije neposredno v vnetljivo mešanico. Pristop lahko zagotovi večjo prilagodljivost primesto vžiga, čas in dobava energije, zaradi česar je privlačen za napredne plinske motorje, plinske turbine, pogonske sisteme in raziskave zgorevanja.
Zakaj inženirji gledajo dlje od vžigalne svečke?
Običajne vžigalne svečke so zelo zrele, vendar njihova zasnova-na osnovi elektrod ustvarja praktične omejitve v zahtevnih pogojih zgorevanja.
Električna iskra mora premostiti fiksno vrzel med elektrodami. Ko se zgorevalni tlak dvigne ali postanejo zmesi vse bolj revne ali razredčene, lahko doseganje doslednega vžiga postane zahtevnejše. Tudi elektrode se sčasoma obrabijo in fizično omejujejo, kje je mogoče namestiti vir vžiga.
Laserski vžig se problema loteva drugače.
Pri lasersko-induciranem vžigu z iskro se kratek,-impulz visoke intenzivnosti usmeri v vnetljivo mešanico. Pri zadostni optični intenzivnosti lahko lokalizirana razgradnja ustvari območje plazme, ki hitro segreje okoliški plin in sproži plamensko jedro.
Pomembna razlika ni le v tem, da laser ustvari drugo vrsto iskre. Spremeni sekje in kako se lahko dostavi energija vžiga.
Ker je točka vžiga določena optično in ne s položajem reže med elektrodami, lahko inženirji raziskujejo vžig globlje v komori ali na lokacijah, izbranih glede na lokalno koncentracijo goriva, polje pretoka in strategijo zgorevanja.
Sisteme, ki-temeljijo na laserju, je mogoče oblikovati tudi okoli več vžigalnih točk, kar lahko ustvari več jeder plamena, namesto da bi se zanašalo na eno samo fronto plamena.
Retko zgorevanje je ključna priložnost
Retko zgorevanje je privlačno, ker lahko delovanje z več zraka glede na gorivo podpira večjo učinkovitost in nižje temperature zgorevanja pod ustreznimi pogoji.
Izziv je vzdrževati stabilen vžig, ko zmes postane redkejša.
Počasen razvoj plamena, nihanje od- do- cikla in neuspel vžig lahko postanejo vse pomembnejši v bližini meje delovanja z nizko vsebnostjo. Iz tega razloga se napredni sistemi za vžig preiskujejo kot način za razširitev uporabnega zgorevalnega ovoja.
Ministrstvo za energijo ZDA in program nacionalnega laboratorija Argonne sta prikazala laserske vžigalne naprave na šest{2}}valjnem-motorju na zemeljski plin. V navedenih preskusnih pogojih je projekt dosegel aPovečanje učinkovitosti za 2,6-odstotne točke v primerjavi z vžigom na svečko. Isti program je kot pomembne inženirske izzive opredelil tudi vprašanja, kot sta vzdržljivost vžigalnika in optično obraščanje. ()
Rezultata ne bi smeli razlagati kot zajamčeno izboljšanje učinkovitosti za vsak motor. Še pomembneje pa je, da dokazuje, da lahko tehnologija vžiga postane aktivni del-optimizacije zgorevalnega sistema in ne le komponenta, potrebna za začetek izgorevanja.
Lokacija vžiga postane konstrukcijska spremenljivka
Znotraj zgorevalne komore se lahko koncentracija goriva, turbulenca, temperatura, tlak in hitrost pretoka precej razlikujejo od ene lokacije do druge.
Običajna vžigalna svečka postavi vir vžiga na mesto, kjer je strojno opremo mogoče fizično namestiti. Laserski vžig daje inženirjem več svobode pri raziskovanju, kje naj bi dejansko prišlo do vžiga.
Nasina-podprta plinska{1}}turbina je koristen primer. Primerjani testi alaserski optični vžigalnik s konvencionalnim vžigalnikom elektrodein ovrednotil laserski vžig na različnih aksialnih, radialnih in obodnih položajih znotraj zgorevalne komore. Med programom so poročali o več kot 200 dogodkih izklopa-laserske svetlobe. ()
Za inženirje zgorevanja to pomeni, da lahko lokacija vžiga postane še en konstrukcijski parameter poleg vbrizga goriva, pretoka zraka in geometrije komore.
Poleg motorjev: laserski vžig v pogonskih sistemih
Laserski vžig se preiskuje tudi za pogon raket in vesoljskih plovil.
Ena posebej zanimiva smer jeoddaljena optična dostava. Namesto namestitve celotnega laserskega vira neposredno poleg vsake zgorevalne komore lahko optična vlakna potencialno distribuirajo lasersko energijo iz osrednjega vira na različne lokacije vžiga.
Projekt,-podprt z ESA, ki ga vodi DLR, je raziskal{1}}vžig na podlagi optičnih vlaken za-nadzorne sisteme lansirne naprave. Eden od ciljev je bil oceniti, ali je mogoče laser z enim jedrom multipleksirati prek optičnih vlaken na več potisnih motorjev, s čimer bi potencialno zmanjšali dodatno maso v-sistema za vžig in zagotovili večjo prilagodljivost pri integraciji lansirnika. ()
DLR razvija tudi aMultipleksni laserski vžigalni sistem (MLIS)za koncepte raketnih-motorjev za večkratno uporabo, z raziskavami, namenjenimi končnemu vžigu več zgorevalnih komor z enim sistemom vžiga. ()
Ta razvoj ponazarja, zakaj je laserski vžig še posebej zanimivponavljajoči se zagoni, porazdeljeni vžig ali daljinsko dovajanje energijezagotoviti prednosti-na sistemski ravni.
Kateri laserski parametri so pomembni za vžig?
Izbira laserja za projekt vžiga ni le stvar izbire največje povprečne moči.
Laserski vžig je v osnovi auporaba impulzne{0}}energijein več parametrov je treba ovrednotiti skupaj.
Pulzna energija
Laserski impulz mora zagotoviti dovolj energije v žariščnem območju, da podpira zahtevani mehanizem vžiga pod dejanskim tlakom, gorivom in pogoji mešanice.
Višja impulzna energija ni samodejno boljša. Ustrezna vrednost je odvisna od zgorevalnega tlaka, sestave mešanice, geometrije fokusiranja in zahtevane zanesljivosti vžiga.
Trajanje impulza
Trajanje impulza vpliva na največjo moč in optično jakost, ki se lahko ustvari v žarišču.
Veliko laser{0}}induciranih študij razgradnje uporablja kratke laserske impulze, ker je za učinkovito ustvarjanje plazme potrebna visoka konična intenzivnost. Optimalno trajanje impulza pa je odvisno od mehanizma vžiga in celotnega optičnega sistema.
Valovna dolžina
Valovna dolžina vpliva na izbiro optičnih-komponent, dovajanje žarka in interakcijo z okoljem zgorevanja.
Zato so lahko ustrezne različne laserske arhitekture, odvisno od tega, ali sistem uporablja neposredno dostavo prostega{0}}prostora, optična okna, vlakna ali drugo optično konfiguracijo.
Kakovost žarka in ostrenje
Zadostna impulzna energija ne zagotavlja uspešnega vžiga, če te energije ni mogoče učinkovito koncentrirati.
Kakovost žarka, optika za ostrenje in značilnosti goriščne-točkedoločiti, koliko optične jakosti se lahko ustvari na točki vžiga. Zato je treba stanje okna, poravnavo in optične izgube upoštevati skupaj s specifikacijo laserja.
Stopnja ponavljanja in čas
Laser mora oddajati impulze s frekvenco, ki jo zahteva motor, zgorevalni sistem ali pogonski sistem.
Enako pomembno je, da mora biti vsak impulz sinhroniziran s ciklom zgorevanja ali zaporedjem zagona. V praktičnih sistemih je lahko integracija z elektronsko krmilno arhitekturo tako pomembna kot sam laser.
Stabilnost od-do-pulza
Laboratorijski poskus lahko pokaže en sam uspešen dogodek vžiga, vendar mora operativni sistem ta dogodek ponavljati.
Stabilnost pulzne-energije postane še posebej pomembna med dolgotrajnim-preizkušanjem motorja, ponavljajočimi se zagoni in visokim-cikličnim delovanjem. Inženirji bi morali zato oceniti ne samo nominalno energijo impulza, ampak tudi, kako dosledno laser ohranja to energijo skozi čas.
Dostava žarka in delovno okolje
Laserski vir končno deluje kot del celotnega sistema vžiga.
Odvisno od aplikacije bo integracija morda morala obravnavati:
- Optična{0}}kontaminacija oken
- Mehanska poravnava in vibracije
- Toplotno okolje
- Tlak zgorevanja
- Optična ali dostava s-prostim vesoljskim žarkom
- Razpoložljiv prostor za namestitev
- Dolgoročni-optični prenos
Q-preklopni polprevodniški-laserji, vključno zNd sistemi, so se pogosto uporabljale pri-raziskavah laserskega vžiga; Nasini poskusi so na primer uporabili impulzne vire Nd za študije lasersko{1}}induciranega vžiga. ()
Ključno vprašanje za OEM ali-raziskovalni projekt zgorevanja torej ni:
"Kako močan je laser?"
Je:
"Ali lahko laser večkrat oddaja zahtevani impulz na zahtevani lokaciji v dejanskih pogojih zgorevanja?"
Kaj še vedno zadržuje laserski vžig?
Laserski vžig nudi precejšnjo inženirsko prilagodljivost, vendar ni univerzalna zamenjava za običajni vžig na iskro.
Praktični izzivi še vedno vključujejostroški sistema, optična poravnava, odpornost na tresljaje, toplotno upravljanje, optična{0}}kontaminacija oken in dolgoročna-trajnost komponent.
Prehod z laboratorijske predstavitve na-sistem, pripravljen za motor, je še posebej zahteven. Optična naprava, ki deluje na preskusni napravi, mora ostati poravnana in stabilna, medtem ko je izpostavljena tresljajem, temperaturnim spremembam, tlačnim ciklom in usedlinam izgorevanja.
To pomaga razložiti, zakaj je laserski vžig trenutno najbolj prepričljiv, če njegove dodatne zmogljivosti rešujejo določeno težavo, ki je običajni vžig ne more rešiti tako preprosto.
Od komponente vžiga do nadzora zgorevanja
Dolgoročni-pomen laserskega vžiga morda ni izginotje vžigalne svečke.
Njegova večja vrednost je možnost dajanja inženirjevveč nadzora nad samim dogodkom vžiga.
Položaj vžiga je mogoče nastaviti. Raziskati je mogoče več plamenskih jeder. Optično energijo je mogoče dostaviti na daljavo. Nizke, visoko{3}}tlačne in specializirane režime zgorevanja je mogoče raziskati, ne da bi se v celoti zanašali na razelektritev fiksne elektrode.
Zato laserski vžig še naprej pritegne zanimanje po vsem svetumotorji-na zemeljski plin, plinske turbine, napredne raziskave zgorevanja in vesoljski pogon.
Ker postajajo zgorevalni sistemi zahtevnejši, vžig vse bolj postaja inženirska spremenljivka in ne le komponenta.
Pogosto zastavljena vprašanja
Kakšna je razlika med laserskim vžigom in vžigom s svečko?
Vžigalna svečka sproži izgorevanje z električno razelektritvijo med fiksnimi elektrodami. Laserski vžig uporablja usmerjen laserski impulz za odlaganje energije na optično izbranem mestu v vnetljivi mešanici. To zagotavlja vžig-brez elektrod in večjo prilagodljivost pri izbiri mesta vžiga, medtem ko lahko ustrezne sistemske arhitekture podpirajo tudi več vžigalnih točk.
Katere so glavne omejitve laserskega vžiga?
Ključni izzivi vključujejo stroške laserskega-sistema, optično{1}}kontaminacijo oken, stabilnost poravnave, vibracije, toplotno upravljanje, vzdržljivost komponent in kompleksnost integracije. Njihov pomen se močno razlikuje med laboratorijskimi raziskavami zgorevanja, stacionarnimi motorji, plinskimi turbinami in letalskimi pogonskimi sistemi.
Katere vrste laserjev se uporabljajo za laserski vžig?
Uporabili so številne poskusne laserske{0}}sisteme za vžigPolprevodniški-laserji s preklopom Q, kot so Nd laserji. Vendar univerzalne laserske specifikacije ni. Ustrezen vir je odvisen od zahtevane energije impulza, trajanja impulza, valovne dolžine, stopnje ponavljanja, kakovosti žarka, pogojev ostrenja, tlaka zgorevanja in arhitekture sistema.
Raziskujete laserski vir za svoj projekt vžiga?
Razvijate sistem laserskega vžiga? Pošljite nam svojevrsta goriva, tlak zgorevanja, zahtevana energija impulza, trajanje impulza, stopnja ponavljanja, valovna dolžina in integracijski pogoji.
Naša inženirska ekipa lahko oceni vaše zahteve in razpravlja o primernemimpulzni laserski vir za vaš projekt zgorevanja ali vžiga.