Již více než století poskytuje zapalovací svíčka jednoduchý a spolehlivý způsob zapalování směsi paliva-se vzduchem. Ale jak se spalovací systémy pohybují směremchudší směsi, vyšší tlaky, alternativní paliva a náročnější provozní podmínkyInženýři se podrobněji zabývají tím, jak může samotné zapalování ovlivnit výkon spalování.
Toto je místo laserové zapalováníse stává zajímavým.
Místo vytvoření elektrického výboje mezi pevnými elektrodami využívá laserové zapalování soustředěný laserový puls k uložení energie přímo do hořlavé směsi. Tento přístup může poskytnout větší flexibilitumísto zážehu, časování a dodávka energie, díky čemuž je atraktivní pro pokročilé plynové motory, plynové turbíny, pohonné systémy a výzkum spalování.
Proč se inženýři dívají za zapalovací svíčku?
Konvenční zapalovací svíčky jsou vysoce vyzrálé, ale jejich konstrukce-založená na elektrodách vytváří praktická omezení v náročných podmínkách spalování.
Elektrická jiskra musí překlenout pevnou elektrodovou mezeru. S rostoucím spalovacím tlakem nebo se stále chudšími nebo zředěnými směsmi může být dosažení konzistentního zapalování náročnější. Elektrody se také časem opotřebovávají a fyzicky omezují, kde může být umístěn zdroj zapálení.
Laserové zapalování přistupuje k problému jinak.
Při laserovém -jiskrovém zapálení je do hořlavé směsi zaostřen krátký- puls vysoké intenzity. Při dostatečné optické intenzitě může lokalizovaný průraz vytvořit oblast plazmy, která rychle zahřeje okolní plyn a iniciuje jádro plamene.
Důležitý rozdíl není jen v tom, že laser vytváří jiný typ jiskry. Mění se tokde a jak lze dodávat zápalnou energii.
Protože bod vznícení je určen spíše opticky než polohou elektrodové mezery, mohou inženýři zkoumat vznícení hlouběji uvnitř komory nebo v místech vybraných podle místní koncentrace paliva, průtokového pole a strategie spalování.
Laserové{0}}systémy mohou být také navrženy pro více bodů zapálení, což může potenciálně vytvořit několik jader plamenů, místo aby se spoléhaly na jednu přední stranu plamene.
Hubené spalování je klíčová příležitost
Chudé spalování je atraktivní, protože provoz s větším množstvím vzduchu v poměru k palivu může za vhodných podmínek podporovat vyšší účinnost a nižší teploty spalování.
Výzvou je udržení stabilního zapalování, když se směs stává chudší.
Pomalý vývoj plamene, kolísání-k{1}}cyklu a vynechávání zapalování mohou být v blízkosti provozního limitu chudé směsi stále důležitější. Z tohoto důvodu se zkoumají pokročilé zapalovací systémy jako způsob, jak rozšířit užitečnou obálku spalování.
Program amerického ministerstva energetiky a národní laboratoře Argonne demonstroval laserové zapalovače na šesti-válcovém motoru na zemní-plyn. Za uvedených zkušebních podmínek projekt dosáhl a2,6-procentní nárůst účinnosti v porovnání se zážehovým zapalováním. Stejný program také označil problémy, jako je trvanlivost zapalovače a optické znečištění, za důležité technické výzvy. ()
Výsledek by neměl být interpretován jako zaručené zlepšení účinnosti pro každý motor. Ještě důležitější je, že demonstruje, že technologie zapalování se může stát aktivní součástí optimalizace spalovacího-systému spíše než pouhou komponentou potřebnou k zahájení spalování.
Místo zapalování se stává konstrukční proměnnou
Uvnitř spalovací komory se může koncentrace paliva, turbulence, teplota, tlak a rychlost proudění značně lišit od jednoho místa k druhému.
Konvenční zapalovací svíčka umístí zdroj zapalování tam, kde může být hardware fyzicky nainstalován. Laserové zapalování dává inženýrům větší svobodu zkoumat, kde by mělo dojít k zapálení.
Užitečným příkladem je práce na-plynové{1}}turbině podporované NASA. Testy srovnávaly alaserový optický zapalovač s konvenčním elektrodovým zapalovačema vyhodnocoval zapálení laseru v různých axiálních, radiálních a obvodových polohách uvnitř spalovací komory. Během programu bylo hlášeno více než 200 případů-vypnutí laserového světla. ()
Pro spalovací techniky to znamená, že místo zapalování se může stát dalším konstrukčním parametrem vedle vstřikování paliva, proudění vzduchu a geometrie komory.
Za motory: Laserové zapalování v pohonných systémech
Laserové zapalování se také zkoumá pro pohon raket a kosmických lodí.
Jeden obzvláště zajímavý směr jevzdálené optické doručení. Místo instalace kompletního laserového zdroje přímo vedle každé spalovací komory mohou optická vlákna potenciálně distribuovat laserovou energii z centrálního zdroje do různých míst zapálení.
Projekt-podporovaný ESA vedený společností DLR zkoumal-zapalování založené na optických vláknech pro-kontrolní systémy reakce odpalovacích zařízení. Jedním z cílů bylo posoudit, zda lze jednojádrový laser multiplexovat přes optická vlákna do více trysek, což by potenciálně snížilo dodatečnou hmotnost-zapalovacího systému a poskytlo větší flexibilitu při integraci odpalovacích zařízení. ()
DLR také vyvíjí aMultiplexní laserový zapalovací systém (MLIS)pro koncepty znovupoužitelných raketových-motorů, s výzkumem zaměřeným na případné zapálení několika spalovacích komor pomocí jednoho zapalovacího systému. ()
Tento vývoj ukazuje, proč je laserové zapalování obzvláště zajímavéopakované starty, distribuované zapalování nebo dálkové dodávání energieposkytují výhody na-úrovni systému.
Jaké parametry laseru jsou důležité pro zapálení?
Výběr laseru pro projekt zapalování není jen otázkou výběru nejvyššího průměrného výkonu.
Laserové zapalování je zásadně apulzní-energiea několik parametrů musí být vyhodnoceno společně.
Pulzní energie
Laserový puls musí dodat dostatek energie v ohniskové oblasti, aby podpořil požadovaný zapalovací mechanismus za aktuálních podmínek tlaku, paliva a směsi.
Vyšší pulzní energie není automaticky lepší. Vhodná hodnota závisí na spalovacím tlaku, složení směsi, geometrii zaostření a požadované spolehlivosti zapalování.
Doba trvání pulsu
Doba trvání pulsu ovlivňuje špičkový výkon a optickou intenzitu, kterou lze v ohnisku vytvořit.
Mnoho studií laserového-rozbití vyvolaného rozpadem využívá krátké laserové pulsy, protože k efektivnímu vytvoření plazmy je zapotřebí vysoká maximální intenzita. Optimální trvání pulzu však závisí na zapalovacím mechanismu a kompletním optickém systému.
Vlnová délka
Vlnová délka ovlivňuje výběr optických{0}}komponent, dodávku paprsku a interakci s prostředím spalování.
Různé laserové architektury proto mohou být vhodné v závislosti na tom, zda systém používá přímé doručování volného prostoru, optická okna, vlákna nebo jinou optickou konfiguraci.
Kvalita paprsku a zaostření
Dostatečná energie pulzu nezaručuje úspěšné zapálení, pokud tato energie nemůže být účinně koncentrována.
Kvalita paprsku, zaostřovací optika a charakteristiky ohniskového-boduurčit, jak velkou optickou intenzitu lze generovat v bodě vznícení. Spolu se specifikací laseru je proto třeba zvážit stav okna, vyrovnání a optické ztráty.
Frekvence opakování a načasování
Laser musí vydávat pulsy o frekvenci, kterou vyžaduje motor, spalovací komora nebo pohonný systém.
Stejně důležité je, že každý impuls musí být synchronizován se spalovacím cyklem nebo startovací sekvencí. V praktických systémech proto může být integrace s architekturou elektronického řízení stejně důležitá jako samotný laser.
Pulzní-k-stabilitě pulzu
Laboratorní experiment může prokázat jednu úspěšnou událost zapálení, ale operační systém musí tuto událost opakovat.
Pulzní-energetická stabilita se stává zvláště důležitou při dlouhodobém-testování motoru, opakovaných startech a provozu s vysokým-cyklem. Inženýři by proto měli vyhodnotit nejen nominální energii pulzu, ale také to, jak konzistentně laser udržuje tuto energii v průběhu času.
Dodávka paprsku a provozní prostředí
Laserový zdroj nakonec funguje jako součást kompletního zapalovacího systému.
V závislosti na aplikaci může integrace vyžadovat řešení:
- Optická-kontaminace oken
- Mechanické vyrovnání a vibrace
- Tepelné prostředí
- Spalovací tlak
- Vláknové nebo bezplatné-doručování vesmírným paprskem
- Dostupný instalační prostor
- Dlouhodobý-optický přenos
Q-spínané pevnolátkové-lasery, včetněNd systémybyly široce používány ve výzkumu-zapalování laserem; Experimenty NASA například používaly pulzní Nd zdroje pro laserové-studie zapalování. ()
Pro projekt výzkumu OEM nebo spalování-není proto klíčovou otázkou:
"Jak silný je laser?"
To je:
"Může laser opakovaně dodávat požadovaný puls na požadované místo za skutečných podmínek spalování?"
Co ještě drží zpět laserové zapalování?
Laserové zapalování nabízí významnou technickou flexibilitu, ale není univerzální náhradou za konvenční jiskrové zapalování.
Mezi praktické výzvy stále patřínáklady na systém, optické vyrovnání, odolnost proti vibracím, tepelný management, optická-kontaminace oken a dlouhodobá{1}}trvanlivost komponent.
Přechod z laboratorní demonstrace na systém-připravený na motor je obzvláště náročný. Optické uspořádání, které funguje na zkušební stolici, musí zůstat vyrovnané a stabilní, zatímco je vystaveno vibracím, změnám teploty, tlakovým cyklům a usazeninám spalování.
To pomáhá vysvětlit, proč je laserové zapalování v současnosti nejpřesvědčivější tam, kde jeho dodatečné schopnosti řeší specifický problém, který konvenční zapalování nemůže tak snadno vyřešit.
Od součásti zapalování po řízení spalování
Dlouhodobým-významem zapálení laseru nemusí být zmizení zapalovací svíčky.
Jeho větší hodnotou je možnost dát inženýrůmvětší kontrolu nad samotnou událostí zapálení.
Polohu zapalování lze nastavit. Lze prozkoumat více jader plamenů. Optická energie může být dodávána na dálku. Slabé, vysokotlaké-a specializované režimy spalování lze zkoumat, aniž byste se spoléhali výhradně na pevný elektrodový výboj.
To je důvod, proč laserové zapalování stále přitahuje zájem napříčmotory na zemní plyn{0}}, plynové turbíny, pokročilý výzkum spalování a letecký pohon.
Vzhledem k tomu, že spalovací systémy jsou stále náročnější, zapalování se stále více stává technickou proměnnou spíše než pouhou komponentou.
Často kladené otázky
Jaký je rozdíl mezi laserovým zapalováním a zapalováním zapalovací svíčky?
Zapalovací svíčka iniciuje spalování elektrickým výbojem mezi pevnými elektrodami. Laserové zapalování využívá zaostřený laserový puls k uložení energie na opticky zvolené místo v hořlavé směsi. To poskytuje -bezelektrodové zapalování a větší flexibilitu při výběru místa zapalování, zatímco vhodná architektura systému může také podporovat více bodů zapálení.
Jaká jsou hlavní omezení laserového zapalování?
Mezi hlavní výzvy patří laserová-cena systému, optická kontaminace-oken, stabilita vyrovnání, vibrace, tepelné řízení, odolnost součástí a složitost integrace. Jejich význam se výrazně liší mezi laboratorním výzkumem spalování, stacionárními motory, plynovými turbínami a leteckými pohonnými systémy.
Jaké typy laserů se používají k zapálení laseru?
Bylo použito mnoho experimentálních laserových{0}}zapalovacích systémůQ-přepínané pevnolátkové-lasery, jako jsou Nd lasery. Univerzální laserová specifikace však neexistuje. Vhodný zdroj závisí na požadované energii pulzu, délce pulzu, vlnové délce, opakovací frekvenci, kvalitě paprsku, podmínkách zaostřování, spalovacím tlaku a architektuře systému.
Zkoumáte laserový zdroj pro svůj projekt zapalování?
Vyvíjet systém laserového zapalování? Pošlete nám svůjdruh paliva, tlak spalování, požadovaná energie pulzu, doba trvání pulzu, opakovací frekvence, vlnová délka a podmínky integrace.
Náš technický tým může vyhodnotit vaše požadavky a projednat vhodnépulzní laserový zdroj pro váš projekt spalování nebo zapalování.