CN105134453B - 采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用连续、脉冲双模式激光，以气体击穿方式产生等离子火花，从而进行点火的装置及方法。其中，装备主要具备连续激光发射端、脉冲激光发射端、燃料喷射装置、汽缸盖、燃烧室、活塞等，且激光发射端不伸入燃烧室内。根据本发明采用连续、脉冲双模式激光气体击穿方式下的点火装置及方法，始终能够可靠地产生等离子火花对燃烧室内的燃料空气混合物进行点火，并且能够有效增加点火路径/范围、提高点火速度，增大燃烧面积、提高燃烧效率、节省燃料。

Description

采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置及方法

技术领域

本发明属于先进激光应用技术领域，具体涉及一种激光点火装置及方法，特别涉及一种采用连续、脉冲双模式激光，以气体击穿方式产生等离子火花，从而进行点火的装置及方法。

背景技术

激光点火装置是一种用于发动机内部点火的装置，主要涉及两种点火方式，即气体击穿点火方式与靶部击穿点火方式。其中，气体击穿点火方式的工作原理是使高峰值功率的脉冲激光输入到发动机的燃烧室内，当激光功率密度超过燃烧室内燃料气体混合物的击穿阈值时，在燃烧室内产生等离子火花，等离子火花按与传统电火花类似的点火方式将燃料空气混合物迅速点燃。作为提高发动机效率的装置，使用激光对燃烧室内的燃料空气混合物点火的激光点火装置备受瞩目。相比传统的电火花点火，气体击穿式激光点火与其主要区别在于：第一，激光点火火花可以自由地置于燃烧室的深处，进而具备更好的点燃条件，提高燃料的燃烧速度与效率；传统的电火花点火，燃料空气混合物直接在燃烧室壁附近被点燃，点火范围小，燃烧面较窄，燃烧速度与效率受到限制。第二，激光点火为非接触式点火，传统电火花塞点火为接触式点火，受燃烧室高温以及燃料影响，因此激光点火装置相比传统使用电火花塞点火的装置具有更长的使用寿命。第三，激光产生的等离子火花的能量可以通过提高激光功率而上升，不易产生点火装置的摩损。但在传统电火花点火的情况下，会导致电极的摩损。第四，从发动机工作的一个循环到另一个循环之间喷出燃料的几何形状与燃料空气混合物的范围会发生变动，对于传统电火花点火来说，会导致点火情况发生改变，点火不可靠，但对于气体击穿式激光点火来说，无明显影响。

尽管气体击穿式激光点火相比传统电火花点火具有更大的优势，但是现有的激光点火方案及装置存在着多种问题。具体表现在：第一，所需用于击穿燃料空气混合物的脉冲激光的功率密度极高；第二，激光发射端的输入光学件易在运行时受到高能激光的影响；第三，对于多个激光束叠加在一点进行点火的情况，相交点位置的调整与脉冲时间上的级联难度较大；第四，在燃料输入与点火之间，不能促使燃料与空气更充分的混合，不能实现二者接触面积的增加与燃烧效率的提高。

发明内容

针对现有气体击穿式激光点火装置及方法所存在的问题，本发明提供了一种有效的解决方案。通过采用连续、脉冲双模式激光点火装置及方法，解决上述问题。

本发明提供一种采用连续、脉冲双模式激光气体击穿方式下点火的装置及方法。

本发明的主要内容是采用连续、脉冲双模式激光对发动机进行气体击穿方式的点火。首先，采用连续激光对燃料空气混合物进行预热，同时在燃料空气混合物中产生极大的温度梯度，引起混合物发生对流，进而实现燃料空气的充分混合，增大二者接触面积；其次，使用脉冲激光实现对燃料空气混合物的击穿，产生等离子火花，实现发动机的点火。由于连续激光的预热与促使燃料空气充分混合的作用，因此：第一，对脉冲激光器的激光输出功率的要求下降，可以使用光束质量更为优秀的激光源；第二，脉冲激光的输出功率降低，对光学元件的影响降低，有助于更可靠的完成点火工作；第三，燃料与空气的充分混合有助于燃烧面积的增加与燃料燃烧效率的提高。

本发明还提供一种采用连续、脉冲双模式激光气体击穿方式下点火的装置，它主要包括连续激光发射端、脉冲激光发射端、燃料喷射装置、汽缸盖、燃烧室、活塞等。脉冲激光发射端、连续激光发射端、燃料喷射装置均集成在汽缸盖的壳体上。在激光发射端内部，将激光送入发动机燃烧室内的输入光学系统由准直聚焦透镜系统以及燃烧室导入窗口构成。其中，该透镜系统可通过控制装置实现激光焦点位置的调整；该导入窗口构成了激光进入燃烧室内的最后一个光学元件，且激光发射端不伸入燃烧室内。本装置的核心部分在于引入了连续激光发射端。连续激光发射端所发射的连续激光起到对燃料空气混合物预热的作用。不仅可以有效降低产生等离子火花的脉冲激光的功率阈值，缩短产生等离子火花的时间，还可以在燃料空气混合物内部产生极大的温度梯度，引起对流，促使燃料空气充分混合，以达到增加燃料空气接触面积、更为充分燃烧的目的，进而有效提高发动机点火速度与燃烧效率。

传统的火花塞由于燃烧室内部高温而不能伸入过深，因此只能在燃料空气混合区域边缘上点火。而激光点火装置通过透镜控制系统将输入到燃烧室内的脉冲激光聚焦于燃料空气混合区域内部，产生等离子火花进行点火。与传统电火花塞点火在边缘上相比，从点火位置开始直到燃料空气混合区域边缘，火焰行程明显缩短，因此点火更快，燃烧范围更大。在连续、脉冲双模式激光点火方式下，其效果将更为显著，能够更可靠地完成点火工作。此外，由于预热的作用，使得点火装置对脉冲激光器的输出功率要求下降，可以使用光束质量更为优秀的激光源。对于高光束质量的激光束，其强度范围相比低光束质量情况下将显著提高。通过调节焦点位置，使强度范围位于燃料空气混合物内部。因此，在燃料空气混合区域内部较大范围产生等离子火花来对燃料空气混合物点火，具有更大的点火面积，使点火更快，燃烧范围更广。这里所提到的激光强度范围是指，激光束经聚焦后，其在传播路径上，功率密度超过燃料气体混合物击穿阈值的区域。

根据本发明采用连续、脉冲双模式激光气体击穿方式下的点火装置及方法，能够始终可靠地产生等离子火花对燃烧室内的燃料空气混合物进行点火，并且能够有效增加点火路径/范围、提高点火速度，增大燃烧面积、提高燃烧效率、节省燃料。

附图说明

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述，其中：

图1是本发明所涉及的发动机激光点火装置的局部结构剖面示意图。

图中：1-连续激光发射端，2-脉冲激光发射端，3-燃料喷射装置，4-汽缸盖，5-燃烧室，6-活塞。

具体实施方式

图1是本发明所涉及的发动机激光点火装置的局部结构剖面示意图，对连续、脉冲双模式激光气体击穿式点火装置及方法进行说明。

激光点火装置具备连续激光发射端1，脉冲激光发射端2，燃料喷射装置3，汽缸盖4，燃烧室5，活塞6，以及其他公知的构件(在图1中并未示出)。连续激光发射端1出射用于照射燃料空气混合物并起到对其预热的功能的连续激光。脉冲激光发射端2出射用于击穿燃料空气混合物而产生等离子火花的功能的脉冲激光。对于激光光源而言，连续激光发射端1使用的是连续激光发射源，例如使用CO₂连续激光器、Nd：YAG固态连续激光器等；脉冲激光发射端2使用的是脉冲激光发射源，例如使用纳秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器等。

连续激光发射端1、脉冲激光发射端2、燃料喷射装置3均集成在汽缸盖4的壳体上。优选地，脉冲激光发射端2位于气缸轴线上，连续激光发射端1与燃料喷射装置3位于轴线对称的两侧。优选地，连续激光发射端1，脉冲激光发射端2，燃料喷射装置3各自的轴线汇聚于燃烧室内的一点，该点也为连续、脉冲激光光束的共同焦点。在激光发射端(包括连续激光发射端1、脉冲激光发射端2)内部，将激光送入发动机燃烧室内的输入光学系统由准直聚焦透镜系统以及燃烧室导入窗口构成。其中，该透镜系统设置在激光的光路上，具有控制激光光路，并经由激光导入部将激光导入燃烧室内的功能。通过控制装置，可以实现对透镜系统的控制，使透镜在沿着激光光路的方向上移动，从而调整激光的焦点位置与强度范围。另外，该导入窗口构成了激光进入燃烧室内的最后一个光学元件，且激光发射端不伸入燃烧室内。

在具备如上述所构成的气体击穿式激光点火装置的发动机中，使用本发明提供的一种采用连续、脉冲双模式激光进行气体击穿式点火的方法，包括如下步骤：

步骤1：燃料经燃料喷射装置3喷射到发动机燃烧室5内，在活塞6上部区域形成燃料空气混合物。

步骤2：在燃料喷射结束与脉冲激光点火开始之间，连续激光由连续激光发射端1导入到燃烧室5内，经准直聚焦透镜系统聚焦于所期待的位置，对燃料空气混合物进行预热，有效降低产生等离子火花的脉冲激光的功率阈值，缩短产生等离子火花的时间；同时，在燃料空气混合物内部产生极大的温度梯度，引起对流，促使燃料空气充分混合。

步骤3：脉冲激光由脉冲激光发射端2导入到燃烧室5内，经准直聚焦透镜系统聚焦于燃料空气混合物内部。其中，脉冲激光光路倾角可变、焦距可调，脉冲激光以气体击穿方式产生等离子火花，进而，对已经预热并充分混合的燃料空气混合物进行均匀点火。

步骤4，燃料快速、高效、大范围燃烧，推动活塞6沿燃烧室5的中心轴方向运动，使发动机对外做功。

步骤5，活塞6以公知的方式在气缸中运动，发动机正常工作。

使用本发明提供的一种采用连续、脉冲双模式激光进行气体击穿式点火的方法，其中所述步骤2，连续激光由连续激光发射端1导入到燃烧室5内，经准直聚焦透镜系统聚焦于所期待的位置，优选地聚焦于燃料空气混合物内部。连续激光对燃料空气混合物进行预热，有效降低产生等离子火花的脉冲激光的功率阈值，缩短产生等离子火花的时间；同时，在燃料空气混合物内部产生较大的温度梯度，引起对流，促使燃料空气充分混合。以达到增加燃料与空气接触面积、更为充分燃烧的目的，进而有效提高发动机点火速度与燃烧效率。

使用本发明提供的一种采用连续、脉冲双模式激光进行气体击穿式点火的方法，其中所述步骤3，脉冲激光不在燃料喷射装置3喷出的燃料边缘上进行点火，而是通过透镜控制系统将输入到燃烧室5内的脉冲激光聚焦于燃料空气混合区域内部。优选地，脉冲激光光路、连续激光光路、燃料喷射装置轴线相交于一点，该点也为连续激光与脉冲激光共同焦点。优选地，该点为燃料空气混合区域中心或中心附近，以便使点火具有穿过整个燃料空气混合区域的尽可能短的火焰行程，同时以体燃烧方式替代传统电火花下的面燃烧。

使用本发明提供的一种采用连续、脉冲双模式激光进行气体击穿式点火的方法，其中所述步骤3，由于连续激光的预热作用，使得点火装置对脉冲激光器的功率要求下降，而对于激光器来说，低功率要求可以使光束质量具有更大的提升空间。因此，可以使用光束质量更为优秀的脉冲激光源。由于相同功率下光束质量相对高的激光束具有更大的强度范围，同时，又由于连续激光器的预热作用，降低了击穿阈值，变相地又扩大了强度范围，进而可以产生长路径、大面积的等离子火花进行点火。因此，点火更快、更高效，燃烧范围更大。在较宽地确保激光的强度范围下，能够可靠地产生等离子火花完成点火工作。

本实施方式所涉及的采用连续、脉冲双模式激光，以气体击穿方式产生等离子火花，从而进行点火的装置及方法，由于连续激光的作用，燃料空气混合物得到预热，温度升高，脉冲激光发射端2点火所需要的激光能量降低，减小了激光导入光学元件损伤的可能性，延长了激光点火装置的寿命；在燃料空气混合物内部产生极大温度梯度，引起对流，使燃料空气充分混合、接触面积随之提高；使用高光束质量脉冲激光器，强度范围更广，点火更快；燃料燃烧更充分，效率更高，相对节省了燃料。

以下为本发明具体实施例。使用具备本实施方式所涉及的气体击穿方式下的激光点火装置及方法，确认本实施方式所涉及的激光点火装置的效果。

实施例1：

采用Nd：YAG全固态连续激光器，波长1064nm，其输出50W激光对混合气体进行预热。随后，采用532nm绿光纳秒激光器对混合气体进行点火，重复频率10Hz，单脉冲能100mJ。

通过上述条件完成了本实施方式所涉及的激光点火动作，实现了甲烷与空气混合物的点燃。

实施例2：

采用CO₂连续激光器，波长10.6um，其输出150W激光对混合气体进行预热。使用皮秒激光器对混合气体进行点火，波长1064nm，重复频率为10kHz，单脉冲能量为0.5mJ。

通过上述条件完成了本实施方式所涉及的激光点火动作，实现了甲烷与空气混合物的点燃。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明不限定于上述实施方式。例如，本发明所涉及的连续、脉冲双模式激光进行气体击穿式点火的装置及方法，所使用的连续激光发射源可以包括所有类型的连续激光器；所使用的脉冲激光发射源可以包括所有类型的脉冲激光器。

对于本发明提供的一种采用连续、脉冲双模式激光气体击穿方式下点火的装置及方法。为了使点火位置穿过燃料空气混合区域的火焰运动时间保持尽可能短，也可以在混合区域内设置多个点火位置，采用多个脉冲、连续激光发射端或者多个脉冲、连续激光光束。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置，包括：

一连续激光发射端(1)，用于发射连续激光对燃料空气混合物进行预热并促使燃料空气充分混合；

一脉冲激光发射端(2)，用于发射脉冲激光以气体击穿方式产生等离子火花；

一燃料喷射装置(3)；

一汽缸盖(4)；

一燃烧室(5)；

一活塞(6)；

其中，连续激光发射端(1)、脉冲激光发射端(2)、燃料喷射装置(3)均集成在汽缸盖(4)的壳体上。

2.根据权利要求1所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置，其特征在于，连续激光发射端(1)、脉冲激光发射端(2)均包含准直聚焦透镜系统与导入窗口，透镜系统可以调整激光的焦点位置，导入窗口构成了激光进入燃烧室(5)内的最后一个光学元件，透镜系统与导入窗口构成将激光送入发动机燃烧室(5)内的输入光学系统。

3.根据权利要求1所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置，其特征在于，激光发射端不伸入燃烧室(5)内。

4.根据权利要求1-3任一所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置，其特征在于，脉冲激光发射端(2)位于气缸轴线上，连续激光发射端(1)与燃料喷射装置(3)位于轴线对称的两侧。

5.根据权利要求4所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置，其特征在于，连续激光发射端(1)，脉冲激光发射端(2)，燃料喷射装置(3)各自的轴线汇聚于燃烧室(5)内的一点，该点也为连续、脉冲激光光束的共同焦点。

6.根据权利要求1-3任一所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置，其中连续激光发射端(1)使用的是连续激光发射源为C02连续激光器或Nd：YAG固态连续激光器；脉冲激光发射端(2)使用的是脉冲激光发射源为纳秒脉冲激光器或皮秒脉冲激光器。

7.一种采用权利要求2所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置的点火方法，包括如下步骤：

步骤1：燃料经燃料喷射装置(3)喷射到发动机燃烧室(5)内，在活塞(6)上部区域形成燃料空气混合物；

步骤2：在燃料喷射结束与脉冲激光点火开始之间，连续激光由连续激光发射端(1)导入到燃烧室(5)内，经准直聚焦透镜系统聚焦于所期待的位置，对燃料空气混合物进行预热，同时在燃料空气混合物内部产生温度梯度，引起对流，促使燃料空气充分混合；

步骤3：脉冲激光由脉冲激光发射端(2)导入到燃烧室(5)内，经准直聚焦透镜系统聚焦于燃料空气混合物内部，其中，脉冲激光光路倾角可变、焦距可调，脉冲激光以气体击穿方式产生等离子火花，进而，对已经预热并充分混合的燃料空气混合物进行均匀点火；

步骤4，燃料快速、高效、大范围燃烧，推动活塞(6)沿燃烧室(5)的中心轴方向运动，使发动机对外做功；

步骤5，活塞(6)在气缸中运动，发动机正常工作。

8.根据权利要求7所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置的点火方法，其特征在于，所述步骤3，脉冲激光光路、连续激光光路、燃料喷射装置(3)轴线相交于一点，该点也为连续激光与脉冲激光共同焦点。

9.根据权利要求8所述的采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置的点火方法，其特征在于，该共同焦点为燃料空气混合区域中心或中心附近，以便使点火具有穿过整个燃料空气混合区域的尽可能短的火焰行程，同时以体燃烧方式替代传统电火花下的面燃烧。