Уже более века свечи зажигания служат простым и надежным способом воспламенения топливно-воздушных-смесей. Но по мере того, как системы сгорания движутся в сторонуболее бедные смеси, более высокое давление, альтернативные виды топлива и более сложные условия эксплуатации., инженеры более внимательно изучают, как само зажигание может влиять на эффективность сгорания.
Вот где лазерное зажиганиестановится интересным.
Вместо создания электрического разряда между неподвижными электродами при лазерном зажигании используется сфокусированный лазерный импульс для передачи энергии непосредственно в горючую смесь. Такой подход может обеспечить большую гибкость вместо зажигания, время и подача энергии, что делает его привлекательным для современных газовых двигателей, газовых турбин, двигательных установок и исследований в области сгорания.
Почему инженеры смотрят не только на свечи зажигания?
Обычные свечи зажигания уже давно устарели, но конструкция их-электродов создает практические ограничения в сложных условиях сгорания.
Электрическая искра должна перекрыть фиксированный зазор между электродами. По мере того, как давление сгорания возрастает или смеси становятся все более обедненными или разбавленными, достижение равномерного зажигания может стать более сложной задачей. Электроды также изнашиваются со временем и физически ограничивают расположение источника воспламенения.
Лазерное зажигание подходит к проблеме по-другому.
При лазерном-искровом воспламенении короткий импульс-высокой интенсивности фокусируется в горючей смеси. При достаточной оптической интенсивности локализованный пробой может создать область плазмы, которая быстро нагревает окружающий газ и инициирует ядро пламени.
Важное отличие не просто в том, что лазер создает искру другого типа. Это меняеткуда и как можно доставить энергию зажигания.
Поскольку точка воспламенения определяется оптически, а не по положению межэлектродного зазора, инженеры могут исследовать возгорание глубже внутри камеры или в местах, выбранных в соответствии с местной концентрацией топлива, полем потока и стратегией сгорания.
Лазерные системы-также могут быть спроектированы с учетом нескольких точек воспламенения, потенциально создавая несколько ядер пламени, а не полагаться на один фронт пламени.
Бережливое сжигание — ключевая возможность
Бедное сгорание привлекательно, поскольку работа с большим количеством воздуха по сравнению с топливом может обеспечить более высокую эффективность и более низкие температуры сгорания при подходящих условиях.
Задача состоит в поддержании стабильного зажигания по мере обеднения смеси.
Медленное развитие пламени, изменение-цикла-цикла и пропуски зажигания могут стать все более важными вблизи рабочего предела обедненной смеси. По этой причине современные системы зажигания исследуются как способ расширить полезную зону сгорания.
В рамках программы Министерства энергетики США и Аргоннской национальной лаборатории были продемонстрированы лазерные воспламенители на шестицилиндровом-двигателе, работающем на природном-газе. В заявленных условиях испытаний проект достиг2,6-прирост эффективности на процентный пункт по сравнению с искровым зажиганием. Та же программа также определила такие проблемы, как долговечность воспламенителя и оптическое загрязнение, как важные инженерные проблемы. ()
Результат не следует интерпретировать как гарантированное повышение эффективности каждого двигателя. Что еще более важно, он демонстрирует, что технология зажигания может стать активной частью оптимизации системы сгорания-, а не просто компонентом, необходимым для начала сгорания.
Место зажигания становится проектной переменной
Внутри камеры сгорания концентрация топлива, турбулентность, температура, давление и скорость потока могут значительно различаться от одного места к другому.
Обычная свеча зажигания размещает источник возгорания там, где физически можно установить оборудование. Лазерное зажигание дает инженерам больше свободы в исследовании того, где на самом деле должно произойти возгорание.
Полезным примером может служить работа над газовыми турбинами,-при поддержке НАСА-. Тесты сравнивалилазерный оптический воспламенитель с обычным электродным воспламенителеми оценили лазерное зажигание в различных осевых, радиальных и окружных положениях внутри камеры сгорания. За время программы было зарегистрировано более 200 случаев отключения-лазера. ()
Для инженеров по сжиганию это означает, что место воспламенения может стать еще одним параметром конструкции наряду с впрыском топлива, воздушным потоком и геометрией камеры.
За пределами двигателей: лазерное зажигание в двигательных системах
Лазерное зажигание также исследуется для двигателей ракет и космических кораблей.
Одним из особенно интересных направлений являетсяудаленная оптическая доставка. Вместо того, чтобы устанавливать полный лазерный источник непосредственно рядом с каждой камерой сгорания, оптические волокна потенциально могут распределять лазерную энергию от центрального источника к различным местам зажигания.
В рамках проекта,-поддерживаемого ЕКА под руководством DLR, исследовалось-оптическое зажигание для систем управления реакцией пусковой установки-. Одной из целей было оценить, можно ли подключить один лазер с одним ядром через оптические волокна к нескольким двигателям, потенциально уменьшая дополнительную массу системы зажигания-и обеспечивая большую гибкость в интеграции пусковой установки. ()
DLR также разрабатываетМультиплексная лазерная система зажигания (MLIS)для концепций многоразовых ракетных двигателей-с исследованиями, направленными на зажигание нескольких камер сгорания с помощью одной системы зажигания. ()
Эти разработки показывают, почему лазерное зажигание особенно интересно там, гдеповторные запуски, распределенное зажигание или дистанционная подача энергииобеспечить преимущества-на уровне системы.
Какие параметры лазера имеют значение для зажигания?
Выбор лазера для проекта зажигания – это не просто вопрос выбора максимальной средней мощности.
Лазерное зажигание – это, по сути,применение импульсной-энергии, и несколько параметров должны оцениваться вместе.
Импульсная энергия
Лазерный импульс должен доставлять достаточную энергию в фокальную область, чтобы поддерживать необходимый механизм зажигания при фактическом давлении, условиях топлива и смеси.
Более высокая энергия импульса не означает автоматически лучшую. Соответствующее значение зависит от давления сгорания, состава смеси, геометрии фокусировки и требуемой надежности воспламенения.
Длительность импульса
Длительность импульса влияет на пиковую мощность и оптическую интенсивность, которую можно создать в фокусной точке.
Во многих исследованиях-индуцированного пробоя используются короткие лазерные импульсы, поскольку для эффективного создания плазмы требуется высокая пиковая интенсивность. Однако оптимальная длительность импульса зависит от механизма зажигания и всей оптической системы.
Длина волны
Длина волны влияет на выбор оптических-компонентов, доставку луча и взаимодействие с средой горения.
Поэтому могут подходить различные лазерные архитектуры в зависимости от того, использует ли система прямую-доставку в свободное пространство, оптические окна, оптоволокно или другую оптическую конфигурацию.
Качество луча и фокусировка
Наличие достаточной энергии импульса не гарантирует успешного зажигания, если эту энергию невозможно эффективно сконцентрировать.
Качество луча, фокусирующая оптика и характеристики фокального-пятнаопределить, какая оптическая интенсивность может быть создана в точке воспламенения. Поэтому состояние окна, юстировку и оптические потери необходимо учитывать вместе с техническими характеристиками лазера.
Частота повторений и время
Лазер должен подавать импульсы с частотой, необходимой двигателю, камере сгорания или двигательной установке.
Не менее важно то, что каждый импульс должен быть синхронизирован с циклом сгорания или последовательностью запуска. Поэтому в практических системах интеграция с архитектурой электронного управления может быть так же важна, как и сам лазер.
От-к-стабильности пульса
Лабораторный эксперимент может продемонстрировать одно успешное событие воспламенения, но действующая система должна воспроизводить это событие неоднократно.
Стабильность импульсной-энергии становится особенно важной во время длительных-испытаний двигателя, многократных запусков и работы с большим-циклом. Поэтому инженерам следует оценивать не только номинальную энергию импульса, но и то, насколько стабильно лазер поддерживает эту энергию с течением времени.
Доставка луча и рабочая среда
Лазерный источник в конечном итоге работает как часть комплексной системы зажигания.
В зависимости от приложения интеграция может потребовать решения следующих задач:
- Оптическое-загрязнение окон
- Механическое выравнивание и вибрация
- Термальная среда
- Давление сгорания
- Доставка оптоволокна или бесплатного-космического луча
- Доступное место для установки
- Долгосрочная-оптическая передача
Q-твердотельные-лазеры с переключателем, в том числеNd системы, широко использовались в исследованиях лазерного-зажигания; В экспериментах НАСА, например, использовались импульсные источники неодима для исследований лазерного -индуцированного зажигания. ()
Поэтому для OEM-проекта или исследовательского проекта по сжиганию-ключевым вопросом является не следующее:
«Насколько мощный лазер?»
Это:
«Может ли лазер повторно подавать необходимый импульс в нужное место в реальных условиях горения?»
Что все еще сдерживает лазерное зажигание?
Лазерное зажигание обеспечивает значительную инженерную гибкость, но не является универсальной заменой традиционного искрового зажигания.
Практические задачи по-прежнему включаютстоимость системы, оптическая юстировка, виброустойчивость, терморегуляция, загрязнение оптических-окна и длительный-долгосрочный срок службы компонентов..
Переход от лабораторной демонстрации к системе,-готовой к использованию, требует особых усилий. Оптическая система, работающая на испытательном стенде, должна оставаться выровненной и стабильной, несмотря на воздействие вибрации, изменений температуры, циклов давления и отложений сгорания.
Это помогает объяснить, почему лазерное зажигание в настоящее время является наиболее привлекательным, когда его дополнительные возможности решают конкретную проблему, которую обычное зажигание не может решить так же легко.
От компонента зажигания к контролю сгорания
Долгосрочное-значение лазерного зажигания может заключаться не в исчезновении свечи зажигания.
Его большая ценность заключается в возможности дать инженерамбольше контроля над самим событием зажигания.
Положение зажигания можно регулировать. Можно исследовать несколько ядер пламени. Оптическая энергия может доставляться удаленно. Обедненные режимы горения, высокого-давления и специальные режимы горения можно исследовать, не полагаясь полностью на разряд с фиксированным электродом.
Вот почему лазерное зажигание продолжает привлекать интерес во всем мире.двигатели на природном-газе, газовые турбины, передовые исследования в области горения и аэрокосмические двигатели.
Поскольку системы сгорания становятся более требовательными, зажигание все чаще становится инженерной переменной, а не просто компонентом.
Часто задаваемые вопросы
В чем разница между лазерным зажиганием и зажиганием свечи зажигания?
Свеча зажигания инициирует горение посредством электрического разряда между неподвижными электродами. Лазерное зажигание использует сфокусированный лазерный импульс для передачи энергии в оптически выбранном положении горючей смеси. Это обеспечивает-безэлектродное зажигание и большую гибкость в выборе места зажигания, а подходящая архитектура системы может также поддерживать несколько точек зажигания.
Каковы основные ограничения лазерного зажигания?
Ключевые проблемы включают стоимость лазерной-системы, загрязнение оптического-окна, стабильность выравнивания, вибрацию, управление температурным режимом, долговечность компонентов и сложность интеграции. Их важность существенно различается между лабораторными исследованиями горения, стационарными двигателями, газовыми турбинами и аэрокосмическими двигательными установками.
Какие типы лазеров используются для лазерного зажигания?
Во многих экспериментальных системах лазерного-зажигания использовалисьТвердотельные-лазеры с Q-переключателем, такие как неодимовые лазеры. Однако универсальной спецификации лазера не существует. Выбор подходящего источника зависит от требуемой энергии импульса, его длительности, длины волны, частоты повторения, качества луча, условий фокусировки, давления горения и архитектуры системы.
Исследуете источник лазера для вашего проекта зажигания?
Разрабатываете систему лазерного зажигания? Отправьте нам свойтип топлива, давление сгорания, необходимая энергия импульса, длительность импульса, частота повторения, длина волны и условия интегрирования.
Наша команда инженеров может оценить ваши требования и обсудить подходящий вариант.импульсный лазерный источник для вашего проекта горения или зажигания.