CN101363391A - 激光诱导微粒射流点火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光诱导微粒射流点火方法，具体为：按常规方式将激光脉冲经聚焦透镜引入发动机燃烧室；在燃烧室中聚焦透镜的焦点位置处设置吸收靶；利用吸收靶被激光急剧加热后所产生的炙热微粒射流启动燃烧室内的可燃混合物燃烧或爆轰。本发明激光点火方法避免了高功率激光的使用，增加了点火位置选择的便捷和高频连续点火的可能性。此外，这种点火方式可应用于不同类型的发动机点火。

Description

激光诱导微粒射流点火方法

技术领域

本发明涉及一种利用激光诱导微粒射流来点燃碳氢燃料和氧气或空气混合物至燃烧或爆轰的方法。

背景技术

对于采用火花塞点火的发动机而言，虽然提高火花塞的点火电压可提高点火速度并改善可燃混合物的燃烧效率，提高发动机的动力性能，但现有发动机火花塞的点火电压已经达到20～50KV，如果进一步提高其点火电压和点火能量，不但将使点火系统的结构更加复杂，也会使点火系统的工作可靠性大大降低，而影响发动机的正常工作。

为此，在发动机的点火方面，激光点火作为一个特别活跃并且有重要使用价值的方法受到人们的关注。

目前的激光点火方式按激光能量在可燃物质中的沉积过程可分为三大类：

一是通过在可燃混合物中掺入对所使用的激光波长具有强烈吸收特性的物质或通过调谐激光波长来使可燃混合物具有强烈吸收激光的特性，以保证可燃混合物能够快速大量吸收激光能量，从而导致燃烧或爆轰的发生。这里一般要求所用的激光在紫外波段，而这类激光器的结构复杂，体积庞大，实用价值不大。

二是利用Q开关激光器发出的强脉冲激光。这种激光在被短焦距透镜聚焦后，在焦点附近通过多光子激发过程，产生少量的自由电子，而自由电子和混合物分子在强激光的作用下发生逆Bremsstrahlong过程，产生局部的高温高压等离子区，通过这种高温高压的等离子区和可燃混合物的相互作用，进而点燃可燃混合物。这一点火方法的主要缺点在于Q开关激光发出的激光脉冲功率非常高，不能在光纤中传播，这样就限制了这种点火方式在内燃机、特别是小型高效内燃机中的应用。

第三种方法是利用激光器直接对可燃混合物加热。这种点火方式的缺点在于没有中间过程将激光能量传递到可燃混合物，只是通过可燃混合物对激光能量的非谐振吸收，因此光的积淀效率低，速度慢，因此加热区域大，点火延迟时间很长，不利于发动机的连续点火工作。

发明内容

针对现有激光点火方法存在的不足，本发明的目的在于提出一种激光诱导微粒射流点火方法，该方法借助于能够有效吸收激光能量的中间物质，并利用该中间物质将激光能量有效地传递给可燃混合物，从而使具有任意波长的、较低功率的并能够在光纤中传输的激光脉冲可以用于某些气态的或液态雾化的碳氢燃料和氧气或空气混合物的燃烧和爆轰点火。

为达到上述目的，本发明激光诱导微粒射流点火方法，具体为：

①按常规方式将激光脉冲经聚焦透镜引入发动机燃烧室；

②在燃烧室中聚焦透镜的焦点位置处设置吸收靶；

③利用吸收靶被激光急剧加热后所产生的炙热微粒射流启动燃烧室内的可燃混合物燃烧或爆轰。

进一步，所述激光脉冲为由自由振荡类激光器发出的激光脉冲，或是由连续运转的激光器经斩波装置后产生的激光脉冲。

进一步，所述激光脉冲的峰值功率为千瓦以下量级，激光脉冲宽度为几十微秒至数百微秒，激光脉冲能量为几毫焦至几百毫焦，激光波长范围从可见波段到近红外至中红外波段。

进一步，所述激光脉冲通过光纤由激光器传播至燃烧室，并经常规方式转换后通过聚焦透镜引入燃烧室内。

进一步，所述吸收靶由煤炭制成或由深色的固态碳氢燃料制成。

本发明激光点火方法通过设置吸收靶来吸收激光脉冲的能量，并通过吸收靶被激光急剧加热后产生的炙热微粒射流来点燃可燃混合物，克服了以往激光点火要么使用特定波段的激光、要么使用大功率激光脉冲的局限性，也克服了以往利用激光器直接对可燃混合物加热所存在的加热区域大、点火延迟时间很长的缺陷。与以往的激光点火相比，具有如下优点：一是对激光波长没有特殊的要求；二是激光的功率低于一般多模光纤的破坏阈值，因此这类激光脉冲可以用一般的多模光纤来传输；三是由于激光器的功率比较低，可以用多个耦合在一起的半导体激光器来产生用于点火的激光脉冲；四是吸收靶可以是普通的煤炭或深色的其它碳氢燃料，而且每次点火从吸收靶上脱离的微粒重量非常少；五是最低点火能量在数十个毫焦，点火延迟时间在毫秒甚至更低的量级。本发明方法避免了高功率激光的使用，增加了点火位置选择的便捷和高频连续点火的可能性。此外，这种点火方式可应用于不同类型的发动机点火。

附图说明

图1为本发明方法实验装置结构示意图；

图2为在空气中以煤作为吸收靶时，利用平面激光粒子散射技术拍摄的激光诱导微粒射流流场图。

具体实施方式

图1所示实验装置包括激光器1、及燃烧室本体，燃烧室本体上设置有燃烧室6、防爆段8，燃烧室6与防爆段8之间设置有铝制防爆膜7，燃烧室6前壁上设置有与激光器1相匹配的聚焦透镜2，燃烧室6侧壁上设置有探测窗口3和三个压力传感器4，燃烧室6内在聚焦透镜焦点处设置有吸收靶5。

利用上述实验装置进行实验时，将气态或液态雾化的碳氢燃料和氧气或空气的混合物预先放置在燃烧室6中，激光器1发出的激光脉冲通过聚焦透镜2照射进燃烧室6，并聚焦到吸收靶5表面，随着脉冲激光的照射，吸收靶5吸收激光能量而被急剧加热，这种表面的局部加热导致被加热的部分由于快速碰撞从吸收靶的表面脱落形成微小粒子并以一定的速度脱离吸收靶，形成高温的微粒射流，其形态如图2所示。这种高温的微粒射流通过和周围可燃混合物相互作用，通过有效的碰撞将高温微粒射流所带的能量传递给可燃混合物，从而导致燃烧或爆轰过程的开始。

上述实验中使用的碳氢燃料可以是乙炔、氢气、天然气等，氧化剂可以是氧气，也可以是空气。

激光器1选用脉冲型自由振荡Nd：YAG激光器，工作波长为1064nm，脉冲宽度约为200微秒；单脉冲能量为0-350mJ可调。

吸收靶5选用普通煤块。

会聚激光的透镜2：焦距为100mm，透过率>90％。

被点燃的可燃混合气体分为两种：氧气+乙炔和空气+乙炔，可燃混合气体的压力为0.5-2大气压。

燃烧室本体由内径为50mm长度为700mm的不锈钢管制成。

在燃烧室本体中设置铝制防爆膜7及防爆段8用于防止燃烧室发生爆裂。

三个压力传感器4用来监视燃烧室6内可燃混合物的燃烧过程是爆轰还是爆燃。

在点火时，可在燃烧室侧壁上设置的探测窗口3处设置光电探测器来检测从激光入射到燃烧或爆轰发生的点火延迟时间。

具体实验过程是，从激光器1发出的脉冲激光经聚焦透镜2聚焦后，照射在吸收靶5表面上，吸收靶表面照射点处被激光急剧加热，发射出炙热的微粒射流，这种微粒射流和预混的可燃物相互作用，启动乙炔和氧气或空气混合物的燃烧或爆轰。

实验结果表明：当乙炔和氧气的比例在化学当量比附近时，由光电探测器和三个压力传感器4探测得知，可燃混合物的燃烧速度在2.5km/sec附近，属于直接爆轰；当偏离化学当量比较大时或混合物是由乙炔和空气组成时，启动的是一般的快速燃烧。所谓化学当量比又称之为化学恰当比，在燃烧反应中，当反应物中氧化剂和燃料处于化学当量比时，反应物中的氧化剂和燃料在燃烧过程中，完全参加化学反应，均没有剩余量。

上述吸收靶5除了可以由煤炭制成之外，也可采用其他材料来制作，只要保证激光聚焦在吸收靶上后，吸收靶不仅能够充分吸收激光能量，而且能够在被激光脉冲加热后发射出炙热的微粒射流即可。如可选用其他深色的固态碳氢燃料来制作。

Claims (5)

1、一种激光诱导微粒射流点火方法，具体为：

①按常规方式将激光脉冲经聚焦透镜引入发动机燃烧室；

②在燃烧室中聚焦透镜的焦点位置处设置吸收靶；

③利用吸收靶被激光急剧加热后所产生的炙热微粒射流启动燃烧室内的可燃混合物燃烧或爆轰。

2、如权利要求1所述的激光诱导微粒射流点火方法，其特征在于，所述激光脉冲为由自由振荡类激光器发出的激光脉冲，或是由连续运转的激光器经斩波装置后产生的激光脉冲。

3、如权利要求1所述的激光诱导微粒射流点火方法，其特征在于，所述激光脉冲的峰值功率为千瓦以下量级，激光脉冲宽度为几十微秒至数百微秒，激光脉冲能量为几毫焦至几百毫焦，激光波长范围从可见波段到近红外至中红外波段。

4、如权利要求1所述的激光诱导微粒射流点火方法，其特征在于，所述激光脉冲通过光纤由激光器传播至燃烧室，并经常规方式转换后通过聚焦透镜引入燃烧室内。

5、如权利要求1所述的激光诱导微粒射流点火方法，其特征在于，所述吸收靶由煤炭制成或由深色的固态碳氢燃料制成。

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