ett schematiskt diagram över den ultrakorta lasertändningen av ett förblandat mager metan/luftblandningsflöde. b Sidobilder av metan/luftblandningsflödet bestrålat av en intensiv fs-laserfilament vid olika infallande laserenergier. Kredit:Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, och Ruxin Li
Lasertändning (LI) är ett lovande elektrodlöst alternativ till elektronisk gnisttändning av magra bränsle-/luftblandningar, erbjuder hög termisk effektivitet med låga skadliga utsläpp. En av de mest använda LI-metoderna är nanosekund laserinducerad gnisttändning (ns-LISI), där brännbara blandningar genomgår multifotonjonisering följt av lavinnedbrytning, vilket resulterar i högtemperatur- och högtrycksplasma tillsammans med stötvågor. Dock, oundvikliga energifluktuationer från skott till skott som härrör från ns ljuskällor leder till nedbrytningens stokastiska natur, påverka reaktionsvägar och producera potentiella feltändningar.
Även om LI inte är ett nytt koncept, det anses allmänt att det är svårt att antända magra bränsleblandningar med en ultrakort femtosekund (fs) laser eftersom lavinbrott inte kan inträffa på fs tidsskalan, och den fs-laserinducerade plasmatemperaturen är 1-2 storleksordningar mindre än den som pumpas av ns-lasrar, båda minskar antändbarheten av magert bränsle. Verkligen, forskare har hittills misslyckats med att antända magra blandningar med intensiva fs-pulsade lasrar.
I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av forskare, ledd av professor Huailiang Xu från State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Kina, och professor Ruxin Li från State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, kinesiska vetenskapsakademin, har visat det framgångsrika förverkligandet och robustheten av fs-LI genom att bestråla en mager metan/luftblandning med en intensiv fs-laserpuls i glödtrådsregimen. Det avslöjas att pumplaserenergin för mager förbränning kan minska till ~1,5 mJ med en energiavsättning på ~25%, antyder att det bara tar sub-mJ energi för att uppnå fs-LI. De testade lasertändningen med en 1,8-mJ laserenergi mer än 1000 gånger och uppnådde följaktligen en 100%-ig framgångsgrad, visar robustheten i detta tillvägagångssätt för att antända magra blandningar. Föreliggande tillvägagångssätt har allmän tillämpbarhet på de komplexa förbränningsförhållandena i en mängd olika motorer som inte är i stökiometriska förhållanden.
a Sidobilder för den dynamiska utvecklingen av flamkärnan som antänds av fs-laserfilamentet. b Plasmaenergikopplingar i det förblandade metan-luftflödet mätt med laserrepetitionshastigheter på 50 (blå triangel), 100 (grön cirkel) och 200 Hz (röd fyrkant). c Glödtrådsinducerade OES-spektra för den magra bränsleblandningen som erhålls med olika tidsmässiga fördröjningar av ICCD; Insättning:signalintensiteterna för OH (röd rektangel) och CH (blå punkt) radikaler mätt som en funktion av grindfördröjningen. Kredit:Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, och Ruxin Li
Det har visat sig att fs-LI-schemat har två stora fördelar jämfört med ns-LISI-schemat:(i) ultralåg antändningsenergi, som är ungefär en storleksordning mindre än den i ns-LISI-schema, och (ii) 100 % antändningsframgångsgrad. fs-LI-mekanismen tillskrivs den termiska effekten av laserenergiavsättning i glödtråden följt av förbränningskemiska reaktioner och robustheten till linjetändningseffekten, som beskrivs i detalj enligt nedan:
"Den dynamiska jämvikten mellan självfokusering och plasmadefokusering i lasertråden möjliggör generering av flera Rayleigh-intervall eller längre plasmakanaler med laserintensiteten fastspänd vid ~50-100 TW/cm 2 nivå. Bränslemolekyler kan aktiveras och till och med fragmenteras av högintensiva laserfilament, producerar många förbränningsmellanprodukter. Särskilt, det långa glödtråden ger möjlighet till "flerpunkts"-antändning längs glödtråden, kallas "linjetändning", vilket kan bidra till att förbättra tändningssäkerheten för magra blandningar."
"Dessutom, inuti fs laserfilament, även om den initiala temperaturen för gasmolekyler bestäms genom olika energiavsättningsvägar, såsom multifoton/tunneljonisering, dissociation, Raman excitation, och kollisionsexcitationen är bara cirka 1400 K, lågtemperaturoxidationsreaktionen av metanmolekyler kan fortfarande inträffa, som möjliggör initiering av brännbara kemiska reaktioner, " lade de till.
"Det nuvarande tillvägagångssättet, där ultrakort lasertändning av magra bränsleblandningar fungerar i en relativt låg temperatur och centimeterlång plasmaglödtråd, har inte bara allmän tillämpbarhet på komplexa förbränningsförhållanden i en mängd olika motorer som inte är i stökiometriska förhållanden, men ger möjligheter att undersöka ultrasnabba fysikaliska/kemiska processer på fs/ps tidsskalan efter laser-bränsleinteraktionen, ", avslutar forskarna.
