网站地图
-
石油资源的消耗和环境污染的加剧对内燃机技术提出了新的要求。为了提高发动机热效率并减少污染物的排放，稀薄燃烧技术受到人们的重视。理论上稀薄燃烧可以减少热损失、提高热效率、减少爆震并降低污染物尤其是氮氧化物的排放[1]。但是稀薄燃烧也有一些问题，如火焰传播速度慢、燃烧不完全和循环变动加剧[2-4]。这些缺陷会降低发动机热效率和输出功率，甚至增大排放[5]。提高燃烧速度的主要措施包括改进燃烧室设计[6]、增大湍流、注入氢气[7-8]和激光诱导火花点火[9-10]等。其中激光诱导火花点火因其在内燃机点火方面的巨大优势, 近几年发展迅速。
研究发现, 当激光强度达到100GW/cm2时，会在聚焦点产生高温(106K数量级)高压(100MPa数量级)等离子体，等离子体向周围物质迅速传热，生成冲击波继而点燃周围的气体以及可燃混合物介质[11]。这就是激光诱导火花点火的基本原理。用于产生激光诱导等离子体的光源通常采用二极管抽运的被动调Q固体激光器(diode pumped passively Q-switched solid-state lasers, DPSSL)[12]。这种激光器结构简单、体积小，脉冲能量通常为几个毫焦，脉宽通常为几个纳秒，峰值功率可达几个兆瓦[13-14]。生成的脉冲经过聚焦，可击穿空气并产生等离子体。
调Q固体激光器产生的高能激光经过聚焦入射到发动机燃烧室中，击穿空气产生等离子体并点燃油气混合物。与传统的电火花塞点火相比，激光诱导火花点火具有许多优势：(1)激光诱导火花点火的点火位置可调、点火时间和点火能量可控[15]; (2)激光诱导等离子点火不需要电极，从而避免了火花塞电极引起的淬火效应[16]; (3)激光诱导火花点火属于非入侵式点火，减轻了传导热损失对火焰核发展的影响，提高了点火能量的利用效率，从而能够点燃更加稀薄的可燃物[17]; (4)激光诱导火花点火能够实现中心点火和多点点火，可以同时或者按照时间次序点燃可燃气体混合物。这些优势对于实现稀薄燃烧和高速燃烧非常重要。
激光诱导等离子体单点点火的能量利用率较低，在稀薄燃烧时火焰传播速度慢，甚至会出现局部淬火现象[18]。国内学者CHEN等人[19]对4种激光诱导等离子体方法，包括激光烧蚀火花点火、多点激光火花点火、预电离辅助激光火花点火和重复频率脉冲激光火花点火的点火性能进行了总结与评价。多点点火和重复频率点火均可以对内燃机激光诱导火花点火的点火性能产生很大影响。合适的重复频率可使火焰发展更稳定，燃烧更充分，但重复频率点火的最优脉冲间隔与在实际中应用中具体的点火条件相关[19]，而多点点火能够缩短点火过程中火焰传播的距离并缩短燃烧时间[19]。随着燃烧时间的缩短，燃烧过程中的热损失减少，气缸内的燃烧温度和气压增大，发动机的热效率和输出功率大大提高。多点点火增加了稀燃情况下的点火可靠性，还能避免点火早期的火焰猝灭、哑火、压力脉冲以及循环变动等问题[20]。多点激光诱导火花点火结合了激光诱导火花点火和多点点火的优势，使其适用于内燃机的稀薄燃烧和高速燃烧。因此多点激光诱导火花点火受到研究人员的高度重视，出现了多种实现多点激光诱导火花点火的方法。
本文中简要介绍了激光诱导火花点火的基本原理和相应的物理过程, 重点介绍了多点激光诱导火花点火研究取得的进展，对实现多点激光诱导火花点火的方法进行了总结与评述，并指出了多点激光诱导火花点火中存在的问题和未来的发展趋势。
-
激光诱导等离子体产生过程中起主要作用的是雪崩电离[10]：初始电子通过逆轫致辐射吸收激光中的光子，获取足够的能量后，与气体分子碰撞并使之电离，最终引发电子雪崩，导致气体击穿。该电离过程基本不受激光波长影响，因而与多光子电离过程不同。激光诱导等离子体产生过程需要初始种子电子的存在。研究人员认为这些初始种子电子并不来自多光子电离过程[21]，而是来自于气体混合物中的杂质，例如灰尘、气溶胶和烟尘粒子[22]。这是由于多光子电离所需要的能量密度为1012W/mm2，远高于1010W/mm2。图 1为激光诱导火花点火过程中的4个阶段[23]。主要包括等离子体形成阶段、冲击波产生阶段、火焰核发展阶段和燃烧阶段。时间尺度从纳秒到几百个毫秒。等离子体产生后，沉积在等离子体中的能量被气体吸收形成并产生冲击波。激光诱导火花点火延迟通常在5ms~100ms之间。
图 1 激光诱导火花点火中4个不同阶段的时间尺度
-
多点激光诱导火花点火能够增强气体介质对激光能量的吸收，使其可用于稀薄燃烧和高速燃烧[17]。
2000年，PHUOC等人[24]首次用两个独立的激光源实现了激光诱导两点点火，并将其点火和燃烧特性与激光单点壁点火和激光单点中心点火进行了对比。研究人员使用两台单模调Q Nd:YAG激光器作为光源，脉冲宽度5.5ns，脉冲能量18.5mJ。实验中通过使用相同配置的光束传输系统将两束光从相反方向聚焦到恒容燃烧室中。实验中分别点燃了甲烷-空气和氢气-空气混合物。研究发现与单点壁点火相比，两点点火的燃烧时间缩短了50%。与中心点火相比，两点点火的燃烧时间缩短了75%。此外，两点点火的燃烧室压力相比于单点点火也得到了极大提高。该研究证实了多点激光诱导火花点火的优势，不足之处在于点火用脉冲光束分别来自两个独立的激光器，系统体积大成本高。
-
目前，降低多点激光诱导火花点火系统大小和成本的方法之一是用锥形腔收集剩余的激光能量以提高能量利用率并实现多点点火[25]。
激光诱导火花点火的缺点之一是对激光能量的利用率较低[25]。入射激光能量一部分被点火位置附近的气体介质吸收，剩余的大部分激光能量则穿过点火位置而散失掉。
为了提高激光能量的利用率，研究人员提出可以用锥形腔替代聚焦透镜实现激光诱导锥形腔点火[25]。如图 2所示，入射光在锥形腔的呈轴对称的内表面之间多次反射，会在锥形腔的中心轴附近产生光束聚焦效应。如果锥形腔内表面的反射率足够高且入射光束的功率足够大，聚焦效应就会很明显。利用内表面对光束的多次反射，锥形腔能够有效地将大部分的入射能量聚集在点火位置附近。入射激光能量击穿锥形腔中的气体介质，并在锥形腔内产生一个高温高活性的气团，最终点燃燃气并以射流的形式喷出。这就是激光诱导锥形腔点火的机理。锥形腔内表面需要具有很高的反射率，因而锥形腔通常采用铝材。
图 2 激光诱导等离子体锥形腔点火示意图
1999年，MORSY等人[25]首次利用锥形腔实现了甲烷/空气混合物的激光诱导火花锥形腔点火。激光源为调Q Nd:YAG激光器。激光脉冲宽度为7ns，最大脉冲能量为360mJ。如图 2所示，实验中测试了两种锥形腔的点火特性。研究结果表明，与激光诱导火花中心点火相比，激光诱导火花锥形腔点火具有更高的燃烧室压力，更快的压力上升速率，更短的燃烧时间。特别是在点燃稀薄混合物时，锥形腔点火的优势尤为明显。另外，研究结果表明，最小入射能量(即100%成功点火混合物所需的能量)与锥形腔的大小和当量比都有关系，且较小的锥形腔所需的点火能量更少。
锥形腔点火的另一个优点是可以用来实现多点点火。2001年，MORSY等人[26]结合激光诱导火花点火和激光诱导锥形腔点火的优点实现了激光诱导两点点火。研究人员将中央有一圆锥形孔的铝板正对激光诱导火花点火用激光源(见图 3)。用凸面镜将入射激光束聚焦到点火位置以击穿空气产生火花点火，未被吸收的激光能量则穿过点火位置进入到锥形腔内形成锥形腔点火。实验中用的激光源仍为调Q Nd:YAG激光器，脉宽7ns，最大脉冲能量360mJ。研究结果表明，激光诱导两点点火的火焰生成时间相比单点点火缩短了45%~69%左右。火焰生成时间的缩短能够减少稀燃条件下发动机的循环变动问题，对提高发动机的性能具有至关重要的意义。此外，激光诱导两点点火的总燃烧时间(33ms~80ms)相比单点点火(60ms~110ms)降低了28%~45%。研究结果表明，激光诱导两点点火能够缩短火焰核的传播距离，大大降低火焰生成时间和总燃烧时间。
图 3 两点点火机理和锥形腔内的多重反射示意图
2003年，在之前研究的基础上，MORSY等人[27]利用两个锥形腔分别实现了激光诱导两点点火和激光诱导三点点火。研究人员将两个锥形腔安装在燃烧室的内壁上，并与激光光束对齐，其中一个锥形腔在顶部有一个开口。在激光诱导两点点火实验中，如图 4a所示，进入第1个锥形腔的部分激光能量在腔中产生激光诱导锥形腔点火，未被吸收的激光能量通过开口进入第2个锥形腔并再次引发激光诱导锥形腔点火。在激光诱导三点点火实验中，如图 4b所示，激光能量首先进入第1个锥形腔，产生激光诱导锥形腔点火。未被吸收的部分激光能量穿过开口并被聚焦在主燃烧室中心，产生激光诱导火花点火。剩余的激光能量射入第2个锥形腔，再次形成激光诱导锥形腔点火。调Q Nd:YAG激光器被用来作为激光源，产生一个点火用的单脉冲。脉宽7ns，最大脉冲能量360mJ。实验中采用氢气-空气预混合物作为燃料。研究结果表明，可以用单脉冲激光在不同的位置同时成功点燃可燃气体混合物。另外，与激光诱导单点点火相比，激光诱导多点点火大大地缩短了燃烧时间，与之前的研究结果一致。
图 4 多点点火原理示意图
为了进一步提高燃烧效率，2009年，RYU等人[28]采用预燃室、锥形腔和喷气孔，在5个不同位置成功实现了激光诱导火花点火。实验中采用的特殊设计的燃烧室由预燃室和一个圆盘状主燃烧室组成(见图 5)，主燃烧室壁上有一个锥形腔，预燃室壁上有一个锥形腔和两个喷气孔。调Q Nd:YAG激光器被用于产生一个单脉冲。脉冲宽度7ns，最大脉冲能量300mJ。实验中采用甲烷-空气混合物燃料，点火脉冲能量固定在80mJ。研究结果表明, 这种点火手段极大地缩短了火焰生成时间和总燃烧时间，与MORSY等人的研究结果一致。
图 5 a—燃烧室、预燃室、锥形腔和喷气孔 b—锥形腔中的多重反射和光束聚焦示意图 c—不同测试条件下的光路
-
锥形腔多点点火对激光能量的利用效率高，但存在两个缺点。首先，锥形腔多点点火只能在固定位置实现点火。锥形腔的位置一旦固定，点火位置便不能改变。其次，锥形腔的存在会影响火焰核的形成，不利于火焰核的发展。因而难以在实际的内燃机中得到应用。
降低多点激光诱导火花点火系统大小和成本的方法之二是直接将高功率DPSSL光源发出的光束用分束器将其分成多束，并将其聚焦到多个点火位置，以实现多点点火。利用空间光调制器和衍射透镜等其它分束元件实现的多点激光诱导离子体点火不存在影响火焰核的结构，并且能够灵活地调整点火位置。
2005年，WEINROTTER等人[29]研究了稀燃条件下甲烷-氢气-空气混合物的激光诱导火花单点、两点和三点激光诱导火花点火。光源为调Q Nd:YAG激光器，脉宽5ns。为实现两点点火，用一个50%分束器将光源分成两束，每个聚焦点的脉冲能量均为8mJ。为实现三点点火(见图 6)研究人员使用一个衍射透镜将一束激光分别聚焦于3点，产生等离子体间距为5mm。研究发现，通过两点点火，燃烧室压力到达峰值的时间缩短了50%，峰值压力提高了7%。但与两点点火相比，三点点火的燃烧特性如燃烧时间和燃烧压力并没有明显改善。
图 6 利用衍射透镜产生3个等离子的示意图和实物图(脉冲总能量为24mJ；焦距为62mm; 等离子体之间的距离为5mm)
光栅和透镜组也可以用来对高能激光进行分束。2014年，英国利物浦大学的LYON等人[18]分别利用光栅和透镜组设计成空间光调制器(spatial light modulator, SLM)，第1次成功用单光束实现了多点激光诱导火花点火。所用的激光源为闪灯抽运的调Q Nd:YAG激光器，脉宽10ns。他们利用以光栅为基础的空间光调制器成功获得多个等离子体，等离子体均位于同一个平面上(见图 7)。同时利用以透镜组、光栅为基础的空间光调制器成功获得多个等离子体，等离子体成线性排列(见图 8)。研究表明，该火花塞可用于内燃机的多点激光诱导火花点火。2017年，KUANG等人[30]将这套点火系统用于实际发动机的激光多点点火实验并与单点激光点火的发动机性能进行了对比。SLM能够承受的最大激光能量为60mJ。研究了两点火点之间的距离对点火性能的影响(见图 9)，两个点火点之间的距离最大为4mm。实验表明，与单点激光点火相比，两点激光点火的燃烧更稳定，发动机的输出功率更高，且能点燃更加稀薄的燃气混合物。
图 7 a—空气击穿火花示意图 b—同一平面的多个等离子体
图 8 通过轴变换获得的3个空气击穿火花
图 9 不同横向间距的两点激光诱导火花点火
稀燃混合物所需的最小点火能量高、火焰速度低，高压下易出现火花核局部猝灭。近距离(d < 1mm)多点点火能够减少激光点火过程中的能量耗散，抑制稀燃条件下的火花核的局部猝灭。2016年，日本学者NAKAYA等人[20]开发出来一种近距离两点激光诱导点火技术。研究人员分别在0.1MPa和1MPa条件下于恒容燃烧室中对甲烷-空气混合物进行了两点点火实验。光源为调Q Nd:YAG激光器，脉宽6ns~10ns，最大脉冲能量300mJ。为实现两点点火，用一个半反镜将一束激光能量分成两束(见图 10)。然后用双色镜分别反射两束光线，并通过透镜进行聚焦。通过改变两个光束之间的入射角来调整两个击穿点之间的距离。研究发现，在当量比Φ≥0.60时，1MPa下的最小点火能量小于0.1MPa下的点火能量。但是当当量比接近稀燃极限时，1MPa下的最小点火能量远高于于0.1MPa下的点火能量，这是由于高压下稀薄燃烧的局部猝灭现象比较明显。研究还发现，尽管近距离两点点火所需的最小点火能量与单点点火所需的最小点火能量并无很大不同，但是近距离两点点火能极大抑制高压条件下的局部猝灭现象从而提高火焰核生长速度。而随着两点之间距离的增加，对局部猝灭的抑制作用逐渐减弱。
图 10 实验装置示意图
-
利用锥形腔或者分束器直接对高能激光进行分束存在一些应用方面的挑战。首先，所用的光路系统比较复杂[31]。其次，高能量密度的激光辐射和热效应会破坏吸收介质和光学涂层，减少激光点火系统的寿命[31]。
另一个实现多点激光诱导火花点火的方法是利用多光束输出的微片激光器实现多点点火。微片激光器体积小、结构简单，可产生兆瓦量级峰值功率的激光，广泛用于激光诱导火花点火[32-34]。为缩小系统体积，提高能量转换效率，微片激光器通常采用半导体激光器作为抽运源[35-36]。为提高脉冲峰值功率，微片激光器通常采用调Q技术缩短脉宽并提高脉冲能量[37-38]。国内学者YANG[39]和MA[40]等人对用于激光火花点火的激光光源的研究状况进行了总结。用于激光等离子体诱导点火的微片激光器通常采用Nd:YAG或Yb:YAG晶体作为增益介质[39]。此外，可用于激光点火的基于复合材料的被动调Q固体激光器亦受到研究人员的广泛重视[41]。为了产生多束激光，多点点火用微片激光器通常采用多束抽运光抽运同一个增益晶体[31]。这种方法可降低光路的复杂性并提高激光多点点火系统的寿命。
多束抽运光可来自多个独立的抽运源。2011年，NICOLAIE等人[42]开发了一种两光束输出的峰值功率为几个兆瓦的被动调Q Nd:YAG/Cr:YAG微片激光器。图 11和图 12分别为双光束输出的被动调Q Nd:YAG/Cr:YAG微片激光器示意图和实物图。研究人员采用多个抽运线路和一个复合陶瓷的Nd:YAG/Cr4+:YAG微片结构实现了两光束输出，这种方法减少了单位体积的热积累，同时简化了光路。与之前多采用分离的Nd:YAG和Cr:YAG晶体的微片激光器不同，这台激光器中的Nd:YAG和Cr:YAG均为陶瓷且通过一定工艺将其键合在一起。Cr:YAG饱和吸收体的初始透过率为30%。抽运能量为26.2mJ时，输出脉宽为800ps，脉冲能量为2.5mJ，产生了空气击穿现象。将抽运光的重复频率升高到100Hz时，仍可实现稳定的脉冲输出。
图 11 两光束输出全陶瓷被动调Q Nd:YAG/Cr4+:YAG复合微片激光器示意图
图 12 双光束输出全陶瓷被动调Q Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器实物图
同年，NICOLAIE等人[43]搭建了一个三光束输出的被动调Q Nd:YAG/Cr:YAG微片激光器。该微片激光器可用于内燃机多点激光诱导火花点火。图 13和图 14为三光束输出的被动调Q Nd:YAG/Cr:YAG微片激光器示意图和实物图。研究人员用3个独立的抽运源抽运一个复合全陶瓷Nd:YAG/Cr:YAG谐振腔以产生多光束输出。Cr:YAG饱和吸收体的初始透过率为30%。输出激光的脉冲能量为2.4mJ，峰值功率2.8MW，重复频率5Hz。如图 14所示，激光器成功实现空气击穿。与高能激光分束法相比，这种方法避免了高能激光对光学元件的损害且降低了光路的复杂性。但是需要用到多个独立的抽运源，因而增加了系统的成本。
图 13 a—三光束输出全陶瓷被动调Q Nd:YAG/Cr4+:YAG复合微片激光器示意图 b—复合介质实物图
图 14 三光束输出全陶瓷被动调Q Nd:YAG/Cr4+:YAG微片激光器实物图
多束抽运光亦可来自同一个抽运源。2014年，WANG等人[44]将激光二极管抽运的单片固体激光器与达曼光栅组合，开发出一种阵列抽运多光束输出的被动调Q Nd:YVO4激光器。如图 15所示，使用一个达曼光栅将808nm激光二极管发出的抽运光衍射为一个2×2的抽运光束阵列，然后用抽运光抽运一个单片Nd:YVO4激光晶体，最终产生2×2阵列的多光束输出。Cr:YAG饱和晶体对1064nm激光的初始透过率为95%。研究发现，当抽运功率为7.44W时，微片激光器的最大输出功率为366mW。激光器脉宽为155ns~175ns，重复频率为80kHz~300kHz，脉冲能量范围为0.2μJ~0.5μJ，脉冲峰值功率1W~2W。此前学者的研究发现在空气中产生击穿现象的激光能量密度需达到100GW/cm2数量级。由于没有足够的峰值功率，此台激光器尚且不能用于内燃机的激光诱导点火。但是他们的研究为小体积低成本激光多点点火点火系统的研究提供了新的思路：达曼光栅可被用于对抽运光进行分束，从而减少抽运源数目，进一步缩小系统体积降低成本。
图 15 用达曼光栅进行2×2阵列抽运的被动调Q Nd:YVO4激光器
2015年，MA等人[45]开发出一种用2×2微透镜阵列进行抽运的4光束多脉冲输出的Nd:YAG陶瓷激光器。与Nd:YAG单晶相比，Nd:YAG陶瓷具有成本低、尺寸大和易于加工的优点。如图 16所示，研究人员用波长为808nm的光纤耦合脉冲激光二极管作为抽运源，然后用一个2×2微透镜阵列将抽运光分为4束进行抽运。Cr:YAG饱和吸收体对1064nm激光的初始透过率为80%。4束激光包含的脉冲数目分别为5个、3个、2个和3个。4束激光的总脉冲能量分别为0.70mJ，0.45mJ，0.31mJ和0.55mJ。对应的频率分别为10.8kHz，7.2kHz，6.8kHz和5.2kHz。单个脉冲能量为0.12mJ~0.22mJ，脉宽宽度为10.5ns~11.5ns。这套微片激光器激光点火系统体积小、成本低，非常适合用于激光诱导火花点火。
图 16 多光束脉冲串输出被动调Q Nd:YAG陶瓷激光器
表 1中总结了过去20年中出现的多点激光诱导火花点火方法。由表中可以看出，研究人员普遍采用调Q Nd:YAG激光器作为系统的光源。这种激光器具有较高的脉冲能量和纳秒级的脉宽，能够击穿空气，产生等离子体并点燃可燃气体混合物。甲烷空气混合物和氢气空气混合物是点火实验中常见的两种可燃气体混合物。使用不同的方法，研究人员实现了激光单点、两点和多点点火。实现激光多点点火的方法包括利用锥形腔收集剩余激光能量，利用喷射孔实现二次点火，利用分束器、光栅、衍射透镜、空间光调制器对单束点火激光进行分束以实现多点点火。利用锥形腔和喷射孔实现的激光多点点火系统，光路简单，但需要改变现有发动机的燃烧室结构。利用对点火激光进行分束的方法能够实现多点激光点火，尤其是基于空间光调制器实现的多点激光点火系统已在实际的发动机中经过了测试并获得了较为理想的实验结果，但是这种方法需要较为复杂的光路系统。
表 1 基于调Q Nd:YAG激光器的多点激光诱导火花点火方法
年份 光源 脉宽/ns 脉冲能量/mJ 混合气体 方法 激光点火 点火距离/mm 参考文献 1999 调Q Nd:YAG激光器 7 80 甲烷-空气 铝锥形腔 单点 — [25] 2000 调Q Nd:YAG激光器 5.5 18.5 甲烷-空气，氢气-空气 两个光源 两点 37.5 [24] 2001 调Q Nd:YAG激光器 7 80 甲烷-空气 锥形腔 两点 10 [26] 2003 调Q Nd:YAG激光器 7 80 氢气-空气 锥形腔 三点 — [27] 2005 调Q Nd:YAG激光器 5 24 氢气-空气 50%分束器 两点 184 [29] 2005 调Q Nd:YAG激光器 5 24 氢气-空气 衍射透镜 三点 5 [29] 2009 调Q Nd:YAG激光器 7 80 甲烷-空气 喷射孔和锥形腔 五点 20 [28] 2014 调Q Nd:YAG激光器 10 — — SLM 七点 5 [15] 2016 调Q Nd:YAG激光器 6~10 100 甲烷-空气 分束器 两点 5 [17] 2017 调Q Nd:YAG激光器 10 60 汽油-空气 SLM 两点 4 [30] 表 2中总结了可用于多点激光诱导火花点火的多光束输出微片激光器的研究进展。T0为可饱和吸收体Cr:YAG的初始透过率。由表 2可以看出，多光束输出微片激光器多采用Nd:YAG陶瓷材料作为增益介质。较低的Cr:YAG可饱和吸收体初始透过率可以实现高脉冲能量短脉宽的激光输出。实现微片激光器多光束输出的方法包括利用多条抽运线、利用达曼光栅和利用微透镜阵列。其中利用多条抽运线实现的多光束微片激光器输出的激光脉冲，脉冲能量达到几个毫焦，脉宽为纳秒量级，达到了击穿空气并产生等离子体的要求。利用达曼光栅和微透镜阵列实现的多光束输出微片激光器由于采用了较高初始透过率的可饱和吸收体，输出脉冲的峰值功率较低。
表 2 可用于多点激光诱导火花点火的微片激光器
-
激光诱导火花点火技术因其在内燃机点火方面的巨大优势，在近十几年来发展迅速。为了提高激光能量的利用率并解决稀薄燃烧条件下激光点火存在的问题，研究人员提出了多点激光诱导火花点火技术。多点激光诱导火花点火缩短了火焰的传播距离，能够提高激光点火的能量利用率，增强点火可靠性，并且能够极大地提高燃烧速度并增大燃烧室压力，非常适用于内燃机的稀薄燃烧和高速燃烧。实现多点激光诱导火花点火技术的关键在于开发出一种体积小成本低的多点激光点火系统。本文中介绍的实现多点激光诱导火花点火的技术途径有：利用锥形腔实现多点点火、利用分束器实现多点点火和利用多光束输出微片激光器实现多点点火。
锥形腔多点点火技术利用锥形腔的聚焦效应收集未被激光诱导等离子体吸收的激光能量，从而实现多点同时点火。这种方法结合了普通的激光诱导火花点火和锥形腔点火的优势，能够同时实现中心点火和壁点火。利用锥形腔和喷射孔，目前研究人员已经实现了激光五点点火。但锥形腔激光多点点火技术在实际应用方面存在几个缺点:(1)基于锥形腔的激光诱导等离子体点火技术需要额外的锥形腔用来收集剩余的激光能量，这在现有的内燃机结构下难以实现；(2)利用锥形腔实现的多点点火系统的点火位置固定，无法根据实际的燃料混合情况灵活调整点火位置; (3)锥形腔的特殊几何结构会对火焰核的形成产生一定的影响; (4)锥形腔本身为导热良好的金属材料，会降低点火能量的利用率。因此，基于锥形腔的激光多点点火技术多用于实验室的恒容燃烧实验中，而难以用在实际的内燃机激光多点点火系统中。
利用分束器可直接对单一光源发出的高能激光进行分束从而实现多点激光诱导火花点火，降低了点火系统的成本。用于实现激光多点点火的分束器通常包括空间光调制器、光栅和衍射透镜。它们均能够提高激光能量的利用率、实现多点点火并加速燃烧，但同时也存在一些问题。首先，利用半反镜实现的激光多点点火系统需要特殊设计的光路对点火激光脉冲进行分束，因此系统的结构较复杂，难以实现小型化、集成化，但基于衍射透镜和光栅实现的空间光调制器光路较为简单，有望应用于实际的内燃机激光多点点火系统中。其次，基于光分束器实现的多点激光点火系统往往涉及高能激光束的传输。一方面，高能光束容易损坏激光多点点火系统中的镀膜反射镜等光学器件，降低系统使用寿命; 另一方面，高能光束对传输光纤也提出了更高的要求。传统的硅光纤光损伤阈值较低，不能满足内燃机点火用激光脉冲的传输要求。光子晶体光纤的损伤阈值较高，但价格昂贵。因此, 目前基于光分束器的激光多点点火系统多利用开放光路进行激光点火实验。目前，限制基于光分束器的激光多点点火系统实际应用的技术瓶颈在于具有高可靠性、高效率、低成本的高能光束传输系统的开发。
另外，过去的基于以上两种方法的多点激光点火系统采用的均为传统的调Q固体激光器，系统体积大、结构复杂、成本高。而利用多光束输出的微片激光器实现多点点火具有体积小、光路简单、能量利用效率高的优点，非常适合用于多点激光诱导火花点火。目前，基于多条抽运线的多光束输出微片激光器的性能已经达到了激光诱导火花点火的要求，并在实验室条件下进行了内燃机的激光多点点火实验。但由于需要多个抽运源，因而该系统成本较高而不适合商业化应用。另外，基于达曼光栅和微透镜阵列的多光束输出微片激光器受分束元件损伤阈值较低的限制，输出激光脉冲的性能尚不能满足产生激光诱导等离子体的要求。
因此未来的多点激光诱导火花点火系统有两个发展方向：一方面，继续研究多光束输出的微片激光器，提高其输出脉冲的脉冲能量并缩短脉宽，为多点激光诱导火花点火提供合适的光源; 另一方面，可将高功率单光束输出微片激光器技术与光分束技术结合起来，以缩小多点激光点火系统的体积、降低成本。
内燃机激光多点点火技术研究进展
Review of multi-point laser ignition for internal combustion engines
-
摘要: 稀薄燃烧能够提高内燃机的热效率并降低污染物的排放, 但稀薄燃烧的火焰传播速度慢且在高压下易出现局部淬火现象。激光诱导火花点火能够有效解决燃料在低当量比和高压下燃烧遇到的问题，此外激光点火能够实现多点点火从而缩短燃烧时间并增大燃烧室压力, 相较于传统的电火花塞点火技术具有很大优势。锥形腔、衍射透镜、空间光调制器和达曼光栅均已被用于实现多点激光诱导火花点火。归纳了多点激光诱导火花点火的几种技术途径，讨论了内燃机多点激光诱导火花点火的研究状况和最新成果。对实现多点激光诱导火花点火的几种方法进行了评价，并指出了每种方法在多点激光诱导火花点火中的优势和需要解决的问题。在此基础上，对内燃机激光多点点火技术的研究前景进行了展望。Abstract: Lean combustion can improve the thermal efficiency of an engine and reduce the emission of pollutants. But lean combustion is challenged by the low flame propagation and the possible local quenching of the initial flame kernel near the lean limit at high pressures. Laser-induced spark ignition can effectively solve these problems residing in the combustion process of the fuel at low equivalence ratio and high pressures. In addition, the laser-induced spark ignition can achieve multi-point ignition easily and can reduce the combustion time and increase the combustion pressure significantly. Therefore, laser induced spark ignition has many advantages over the traditional electric spark plug ignition technique. Conical cavity, diffractive lens, spatial light modulator and Dammam grating have been used to achieve the multi-point laser-induced spark ignition. Several technical approaches of multi-point laser induced spark ignition are summarized. The research status and the latest achievements of multi-point laser induced spark ignition for internal combustion engines are discussed. Several methods to achieve multi-point ignition of laser-induced spark are evaluated. Furthermore, the advantages and problems to be solved for each method in the multi-point ignition of laser induced spark are pointed out. On the basis of the above examinations, some suggestions on the future work are also proposed.
-
表 1 基于调Q Nd:YAG激光器的多点激光诱导火花点火方法
年份 光源 脉宽/ns 脉冲能量/mJ 混合气体 方法 激光点火 点火距离/mm 参考文献 1999 调Q Nd:YAG激光器 7 80 甲烷-空气 铝锥形腔 单点 — [25] 2000 调Q Nd:YAG激光器 5.5 18.5 甲烷-空气，氢气-空气 两个光源 两点 37.5 [24] 2001 调Q Nd:YAG激光器 7 80 甲烷-空气 锥形腔 两点 10 [26] 2003 调Q Nd:YAG激光器 7 80 氢气-空气 锥形腔 三点 — [27] 2005 调Q Nd:YAG激光器 5 24 氢气-空气 50%分束器 两点 184 [29] 2005 调Q Nd:YAG激光器 5 24 氢气-空气 衍射透镜 三点 5 [29] 2009 调Q Nd:YAG激光器 7 80 甲烷-空气 喷射孔和锥形腔 五点 20 [28] 2014 调Q Nd:YAG激光器 10 — — SLM 七点 5 [15] 2016 调Q Nd:YAG激光器 6~10 100 甲烷-空气 分束器 两点 5 [17] 2017 调Q Nd:YAG激光器 10 60 汽油-空气 SLM 两点 4 [30] 
下载: 导出CSV
-
[1] TAYLOR A M K P. Science review of internal combustion engines [J]. Energy Policy, 2008, 36(12): 4657-4667. doi: 10.1016/j.enpol.2008.09.001 [2] QIN X, KOBAYASHI H, NIIOKA T. Laminar burning velocity of hydrogen-air premixed flames at elevated pressure [J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2000, 21(1): 58-63. [3] LAMOUREUX N, DJEBAÏLI-CHAUMEIX N, PAILLARD C E. Laminar flame velocity determination for H2-air-He-CO2 mixtures using the spherical bomb method [J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2003, 27(4): 385-393. [4] JI C, WANG S. Experimental study on combustion and emissions performance of a hybrid hydrogen-gasoline engine at lean burn limits[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2010, 35(3):1453-1462. doi: 10.1016/j.ijhydene.2009.11.051 [5] KARIM G A, WIERZBA I, AL-ALOUSI Y. Methane-hydrogen mixtures as fuels [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 1996, 21(7): 625-631. doi: 10.1016/0360-3199(95)00134-4 [6] PULKRABEK W W. Engineering fundamentals of the internal combustion engine[M]. New Jersey, USA: Pearson Prentice Hall, 2004: 106. [7] SHRESTHA S B, KARIM G. Hydrogen as an additive to methane for spark ignition engine applications [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 1999, 24(6): 577-586. doi: 10.1016/S0360-3199(98)00103-7 [8] SCHEFER R. Hydrogen enrichment for improved lean flame stability [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2003, 28(10): 1131-1141. doi: 10.1016/S0360-3199(02)00199-4 [9] CHEHROUDI B. Laser ignition for combustion engines [C]//Advanced Laser Applications Conference and Exposition. Michigan, USA: The International Lasers Users Council, 2004: 1-20. [10] PHUOC T X. Laser-induced spark ignition fundamental and applications [J]. Optics & Lasers in Engineering, 2006, 44(5): 351-397. [11] WINTNER E, KOFLER H, SRIVASTAVA D K, et al. Laser plasma ignition: Status, perspectives, solutions[J].Proceedings of the SPIE, 2013, 9065: 90650B. [12] KOFLER H, TAUER J, TARTAR G, et al. An innovative solid-state laser for engine ignition [J]. Laser Physics Letters, 2007, 4(4): 322-327. doi: 10.1002/lapl.200610106 [13] KROUPA G. Novel miniaturized high-energy Nd:YAG laser for spark ignition in internal combustion engines [J]. Optical Engineering, 2009, 48(1): 014202-014205. doi: 10.1117/1.3072958 [14] MA Y F, LI X D, YU X, et al. A novel miniaturized passively Q-switched pulse-burst laser for engine ignition [J]. Optics Express, 2014, 22(20): 24655-24665. doi: 10.1364/OE.22.024655 [15] DEARDEN G, SHENTON T. Laser ignited engines: Progress, cha-llenges and prospects[J]. Optics Express, 2013, 21(s6): A1113-A1125. doi: 10.1364/OE.21.0A1113 [16] TAUER J, KOFLER H, WINTNER E. Laser-initiated ignition [J]. Laser & Photonics Reviews, 2010, 4(1): 99-122. [17] FUCHS D I J, LEITNER D I A, TINSCHMANN G, et al. Concept for high-performance direct ignition gas engines [J]. MTZ Worldwide, 2013, 74(5): 18-23. doi: 10.1007/s38313-013-0048-x [18] LYON E, KUANG Z, CHENG H, et al. Multi-point laser spark generation for internal combustion engines using a spatial light modulator [J]. Journal of Physics, 2014, D47(47): 475501. [19] CHEN M, DOU Zh G, XI W X. Advances in the methods of laser induced plasma ignition [J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2018, 55(3): 030010 (in Chinese). [20] NAKAYA S, ISEKI S, GU X J, et al. Flame kernel formation behaviors in close dual-point laser breakdown spark ignition for lean methane/air mixtures [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2017, 36(3): 3441-3449. doi: 10.1016/j.proci.2016.07.057 [21] PHUOC T X. Laser spark ignition: Experimental determination of laser-induced breakdown thresholds of combustion gases [J]. Optics Communications, 2000, 175(4/6): 419-423. [22] YABLONOVITCH E. Self-phase modulation and short-pulse generation from laser-breakdown spark [J]. Physical Review, 1974, A10(5): 1888-1895. [23] TAIRA T. High brightness microchip laser and engine ignition [J]. The Review of Laser Engineering, 2010, 38(8): 576-584. doi: 10.2184/lsj.38.576 [24] PHUOC T X. Single-point versus multi-point laser ignition: experimental measurements of combustion times and pressures [J]. Combustion & Flame, 2000, 122(4): 508-510. [25] MORSY M H, KO Y S, CHUNG S H. Laser-induced ignition using a conical cavity in CH4-air mixtures [J]. Combustion & Flame, 1999, 119(4): 473-482. [26] MORSY M H, KO Y S, CHUNG S H, et al. Laser-induced two-point ignition of premixture with a single-shot laser [J]. Combustion & Flame, 2001, 124(4): 724-727. [27] MORSY M H, CHUNG S H. Laser-induced multi-point ignition with a single-shot laser using two conical cavities for hydrogen/air mixture [J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2003, 27(4): 491-497. [28] RYU S K, WON S H, CHUNG S H. Laser-induced multi-point ignition with single-shot laser using conical cavities and prechamber with jet holes [J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2009, 32(2): 3189-3196. doi: 10.1016/j.proci.2008.05.080 [29] WEINROTTER M, KOPECEK H, TESCH M, et al. Laser ignition of ultra-lean methane/hydrogen/air mixtures at high temperature and pressure [J]. Experimental Thermal & Fluid Science, 2005, 29(5): 569-577. [30] KUANG Z, LYON E, CHENG H, et al. Multi-location laser ignition using a spatial light modulator towards improving automotive gasoline engine performance[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2017, 90(1): 275-283. [31] NICOLAIE P, TSUNEKANE M, TAIRA T. All-poly-crystalline ceramics Nd:YAG/Cr4+:YAG monolithic micro-lasers with multiple-beam output [M]. Vilnius, Lithuania: InTech, 2011: 59-82. [32] TSUNEKANE M. Micro-solid-state laser for ignition of automobile engines[M].Vilnius, Lithuania: InTech, 2010: 195-212. [33] TAIRA T. High brightness microchip lasers for engine ignition[C]//Frontiers in Optics. Washington DC, USA: Optical Society of America, 2012: FM3G. 1. [34] TSUNEKANE M, TAIRA T. Long time operation of composite ceramic Nd: YAG/Cr: YAG micro-chip lasers for ignition[C]// Laser Ignition Conference. Washington DC, USA: Optical Society of America, 2015: T4A-3. [35] DENG S P, CHEN P F, WANG Y, et al. Dual-end LD-pumped slab lasers with folded three-pass resonators [J]. Laser Technology, 2018, 42(1):43-47 (in Chinese). [36] LI B Zh, ZOU Y G. Tunable vertical cavity surface emitting lasers [J]. Laser Technology, 2018, 42(4):556-561 (in Chinese). [37] LIU J Q, WANG N, YANG Y Y, et al. A micro acousto-optic Q-switched laser with narrow pulse width [J]. Laser Technology, 2017, 41(4):562-565 (in Chinese). [38] LI Y L, JIA K, GU X S, et al. Study on an acousto-optical Q-switched Nd:YVO4 laser with 25kHz repetition rate and about 2ns pulse duration [J]. Laser Technology, 2018, 42(1):34-38 (in Chinese). [39] YANG L, DONG J. Progress in laser ignition based on passively Q-switched solid-sate lasers [J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2015, 52(3): 030007 (in Chinese). [40] MA Y F, HE Y, YU X, et al. Research progress of laser source used in laser induced plasma ignition [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(11): 61-66 (in Chinese). [41] DONG J, WANG G Y, REN Y Y. Advances in passively Q-switched solid-state lasers based on composite materials [J]. Chin-ese Journal of Lasers, 2013, 40(6): 0601003 (in Chinese). doi: 10.3788/CJL [42] NICOLAIE P, TSUNEKANE M, KANEHARA K, et al. Composite all-ceramics, passively Q-switched Nd: YAG/Cr4+: YAG monolithic micro-laser with two-beam output for multi-point ignition[C]//Proceedings of the Lasers and Electro-Optics. New York, USA: IEEE, 2011: 1-2. [43] NICOLAIE P, TSUNEKANE M, TAIRA T. Composite, all-cera-mics, high-peak power Nd:YAG/Cr4+:YAG monolithic micro-laser with multiple-beam output for engine ignition [J]. Optics Express, 2011, 19(10): 9378-9384. doi: 10.1364/OE.19.009378 [44] WANG Z, YU J, XIA K, et al. 2×2 arrayed and passively Q-switched Nd:YVO4 laser under Dammann-arrayed pumping [J]. Applied Optics, 2014, 53(12): 2664-2668. doi: 10.1364/AO.53.002664 [45] MA Y, HE Y, YU X, et al. Multiple-beam, pulse-burst, passively Q-switched ceramic Nd:YAG laser under micro-lens array pumping [J]. Optics Express, 2015, 23(19): 24955-24961. doi: 10.1364/OE.23.024955 -
点击查看大图
图(16) / 表(2)
计量
- 文章访问数: 5625
- HTML全文浏览量: 3752
- PDF下载量: 25
- 被引次数: 0
