Robust og ultralav-energi-tærskeltænding af magert brændstof med en ultrakort-pulseret laser

Lasertænding (LI) er et lovende elektrodeløst alternativ til elektronisk gnisttænding af magre brændstof/luftblandinger, tilbyder høj termisk effektivitet med lave skadelige emissioner. En af de mest udbredte LI-metoder er nanosekund laserinduceret gnisttænding (ns-LISI), hvor brændbare blandinger gennemgår multifotonionisering efterfulgt af lavinenedbrydning, resulterer i højtemperatur- og højtryksplasma sammen med chokbølger. Imidlertid, uundgåelige skud-til-skud energiudsving som følge af ns lyskilder fører til den stokastiske karakter af sammenbruddet, påvirker reaktionsveje og frembringer potentiel fejltænding.

Selvom LI ikke er et nyt koncept, det antages almindeligvis, at antændelse af magre brændstofblandinger med en ultrakort femtosekund (fs) laser er vanskelig at realisere, da lavinesammenbrud ikke kan forekomme på fs tidsskalaen, og den fs-laser-inducerede plasmatemperatur er 1-2 størrelsesordener mindre end den, der pumpes af ns-lasere, som begge mindsker antændeligheden af ​​magert brændstof. Ja, forskere har hidtil undladt at antænde magre blandinger ved hjælp af intense fs-pulserende lasere.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Huailiang Xu fra State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College of Electronic Science and Engineering, Jilin Universitet, Kina, og professor Ruxin Li fra State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Det Kinesiske Videnskabsakademi, har demonstreret den vellykkede realisering og robusthed af fs-LI ved at bestråle en mager metan/luftblanding med en intens fs laserpuls i glødetrådsregimet. Det afsløres, at pumpelaserenergien til mager forbrænding kan falde til ~1,5 mJ med en energiaflejring på ~25%, antyder, at det kun tager sub-mJ energi at opnå fs-LI. De testede lasertændingen med en 1,8 mJ laserenergi mere end 1000 gange og opnåede følgelig en succesrate på 100 %, viser robustheden af ​​denne tilgang til antændelse af magre blandinger. Den foreliggende fremgangsmåde har generel anvendelighed til de komplekse forbrændingsbetingelser i en række motorer, som ikke er i støkiometriske forhold.

Det er vist, at fs-LI-ordningen har to store fordele sammenlignet med ns-LISI-ordningen:(i) ultralav tændingsenergi, som er omkring en størrelsesorden mindre end i ns-LISI-skemaet, og (ii) 100% antændingssuccesrate. fs-LI-mekanismen tilskrives den termiske effekt ved laserenergiaflejring i glødetråden efterfulgt af forbrændingskemiske reaktioner og robustheden over for linjetændingseffekten, som er beskrevet i detaljer som nedenfor:

"Den dynamiske ligevægt mellem selvfokusering og plasmadefokusering i laserfilamentet giver mulighed for generering af flere Rayleigh-rækkevidde eller længere plasmakanaler med laserintensiteten fastspændt på ~50-100 TW/cm ² niveau. Brændstofmolekyler kan aktiveres og endda fragmenteres af laserfilamenter med høj intensitet, producerer mange forbrændingsmellemprodukter. I særdeleshed, det lange glødetråd giver mulighed for "multipunkt"-antænding langs glødetråden, benævnt 'line' tænding, som kan hjælpe med at forbedre tændingssikkerheden af ​​magre blandinger."

"Ud over, inde i fs laser filament, selvom starttemperaturen for gasmolekyler bestemmes gennem forskellige energiaflejringsveje, såsom multifoton/tunnel ionisering, dissociation, Raman excitation, og kollisionsexcitation er kun cirka 1400 K, lavtemperaturoxidationsreaktionen af ​​metanmolekyler kan stadig forekomme, som muliggør initiering af brændbare kemiske reaktioner, " tilføjede de.

"Den nuværende tilgang, hvor den ultrakorte lasertænding af magre brændstofblandinger fungerer i en relativt lav temperatur og centimeter lang plasmaglødetråd, ikke kun har generel anvendelighed til komplekse forbrændingsforhold i en række motorer, der ikke er i støkiometriske forhold, men giver muligheder for at undersøge ultrahurtige fysiske/kemiske processer på fs/ps tidsskalaen efter laser-brændstof-interaktionen, " konkluderer forskerne.