Page 28 - LFWC_JulAug_2019_eMag

Technologies Center 技术中心

激光点火

激光点火定量改善汽油发动机的性能

文/ Gail Overton a) 二极管 发动机
激光器 激光火花塞 气缸
光纤
1 1 1 发动机
1
电火花塞
电源 2 2 2 2 单元 3 4
电火花塞（ESP）相比，只有通过定量改进性能
与 和成本，汽油发动机的激光点火（LI）才会被 和热稳定 3 3 3 3 1 2
电流控制
主流汽车制造商考虑采用。来自罗马尼亚国家 4 4 4 4 b) 激光火花塞 水冷管道
激光研究所 National Institute for Laser, Plasma and Radiation 电子控制单元/ 电子控制 发动机
激光接口 单元
Physics（INLFPR）、雷诺在罗马尼亚的新技术中心（Renault 图1：方框图显示了LI系统的实验设置（a）；配备LI系统的汽油发动机的物理
Technologie Roumanie），以及罗马尼亚布加勒斯特理工大 配置如图所示。
学的研究人员，已通过光纤耦合、紧凑的钕和铬钇铝石榴 蓝宝石窗口用作 LSP 和相应发动机汽缸之间的接口。
4+
4+
石（Nd ：YAG/Cr ：YAG）激光火花塞，在激光点火系统 所有光学元件（Nd ：YAG/Cr ：YAG 介质、透镜和蓝宝
的设计和量化演示方面取得了新的进展。 [1] 石板）均采用环氧树脂粘合剂嵌入 LSP 金属体中，可承
与 ESP 点火相比，激光点火具有以下几项优点 ：1） 受 -70~170℃的温度变化，并具有高剪切和剥离强度。
激光点火通过发动机气缸壁上的光学窗口输送，移除 ESP 使用标准 30mJ ESP 和激光点火，完成了对具有四个
的突出电极，并使火焰自由发展而不淬灭 ；2）可以接近 气缸的雷诺多点喷射乘用车发动机的点火实验，每个循环
汽缸的任何内部部件，并且可以在不同空间位置点燃燃料； 仅使用一个激光脉冲（不是在 burst 模式下）以建立点火
3）多个激光束可用于通过突发模式操作，确保点火冗余 等效性。对于化学计量空燃比（意味着如果反应物完全燃
和潜在的更高点火效率。 烧，将没有剩余燃料或空气）运行，结果表明与常规 ESP
点火相比，激光点火的发动机制动功率提高 7.9％，制动
量化表现 专用燃料消耗（BSFC）降低 7.4％，并减少了 20％的一
对于激光点火，使用 10.6μm CO 2 激光和 1.06μm Nd ： 氧化碳（CO）排放。此外，相对于 ESP（相同类型燃料）
YAG 激光已经显示出增加的发动机峰值压力和更高的制 的点火，稀薄的激光点火（非化学计量比约为 1.25，留下
动功率，以及改善的发动机燃烧稳定性。然而，这些是大 燃烧后剩余的过量空气）使发动机制动功率提高了 29％，
型桌面尺寸的激光系统，显然不适合商业实施。 而 BSFC 降低了 21％，CO 减少了 30％。
罗马尼亚的研究人员使用紧凑型激光点火系统，该系 “随着人们对环境影响担忧的增加，内燃机驱动的车
4+
统由四个 Nd ：YAG/Cr ：YAG 紧凑型激光器组成，这些 辆必须不断改进，”布加勒斯特理工大学机械工程学院的
激光器由 807nm 激光二极管泵浦，使用 600μm 芯径、数 Radu Chiriac 教授说，“我们的激光火花塞具有与传统电火
值孔径（NA）为 0.22 的光纤进行耦合，并以准连续波模 花塞相似的尺寸，正常操作下用于对化学计量的空气燃料
式运行（见图 1）。泵浦脉冲持续时间为 250μs，重复频率 混合物进行真实的汽车发动机点火，但也用于使用较少燃
从几 Hz 到 100Hz 不等，对于 40mJ 的泵浦脉冲能量，波 料的稀薄空气燃料混合物。通过激光点火获得了改进的发
长为 1.06μm 的激光的脉冲输出能量为 4mJ，持续时间约 动机性能和更少的废气排放 ；更快的点火和更强大的燃烧
为 0.8ns，相当于 5MW 的峰值脉冲功率。 启动，都是激光点火方面获得的新进展。”
由每个激光火花塞（LSP）传输的激光束被准直，然
后聚焦在发动机的相应汽缸内。需要注意的是，要选择聚 参考文献
焦位置以匹配传统火花塞的点火点。 1. N. Pavel et al.,Opt. Express, 27, 8, A385–A396 (2019).

26 Jul/ Aug 2019 www.laserfocusworld.com.cn Laser Focus World China 激光世界