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激光火花塞的好处知多少

(2009-11-06 22:31:47)
标签:

火花塞

激光火花塞

点火可靠性

燃烧室优化设计

杂谈

激光火花塞的好处知多少

文/ 韩建保(原创文章, 转载请署博文作者姓名)

激光火花塞的好处知多少激光火花塞激光聚焦点形成一个等离子体,其中心温度超过10000F绝对温度,约合摄氏9726℃,电火花塞的最高温度约摄氏3000℃。这样的高温以及以超音速向四周扩散的压力波将点燃气缸内的混合气体。

    汽油或天然气等点燃式发动机点火系统的作用是产生电火花点燃气缸内的混合气体、控制气缸点火顺序和最佳的点火时刻,在特殊使用条件下,如热带、寒带、潮湿地带以及空气稀薄的高原地区行驶的车辆,点火装置必须可靠地工作。随着科学技术的发展,汽车发动机点火系统的性能在过去的100多年里也有了很大的变化:从带有分电器的传统点火系统到晶体管点火系统,再发展到无分电器的独立点火系统,但是,目前广泛使用的传统点火系统的许多缺陷或不足还是难于根除,例如,火花塞发生积炭、瓷体破裂或电极烧蚀而导致点火性能不良、高速断火或拉缸等,绕组断路或绝缘层老化漏电而导致不能点火,或虽能跳火,但点火能量不足而出现高速断火、缺火,使发动机不易起动、怠速不稳、功率下降、排气污染及油耗增加等。

激光火花塞的好处知多少

直接影响发动机动力和排放性能的几种典型的火花塞外观特征

  为了满足越来越严格的排放标准和节能要求,传统的电点火系统特别是电火花塞技术,被改进的几乎达到了所能实现的物理极限。利用激光技术实现更精确和更可靠的点火功能,很长时间以来,已经是科学家和工程师不懈努力的一个研究方向。其实在人们1960年发明激光后的几年里,就提出了利用激光器点燃内燃机气缸内混合气体的想法。
  内燃发动机激光点火器利用一束聚焦的激光光束(射线)点燃气缸内的燃油空气混合气。在激光束燃烧点处由于电离将产生一个等离子体,等离子体的中心区域的温度超过10000F绝对温度,约合摄氏9726℃,常规电火花塞工作时的最大环境温度约摄氏3000℃。这样的高温以及由等离子区中心以超音速向四周扩散的压力波将点燃气缸内的混合气体。
  经过20年的不懈努力,2004年8月奥地利的CTR和AVL List 公司相协作在激光火花塞的小型化设计上实现突破,将激光火花塞从开始研究阶段的一张桌子大的尺寸,缩小到比传统的电火花塞的尺寸还要小,如图2所示。2007年奥地利维也纳技术大学光学研究所研制出尺寸更小的激光火花塞,如图3所示。图中清晰可见激光火花塞“喷”出的闪着亮光的等离子体,在等离子体的中心区域的温度可达摄氏9726℃,而产生这样极高温等离子体的激光火花塞完全可由轿车蓄电池的12伏电压驱动的。

激光火花塞的好处知多少

奥地利维也纳技术大学研制的激光火花塞“喷”出闪亮的高温等离子体

    激光火花塞产生的等离子体通过适当的聚焦是可以任意“远离”激光火花塞的端部,因此可根据需要将极高温等离子体设置到汽缸内的任意位置,以实现对燃烧过程的最优化控制,提高发动机的功率,降低耗油量和废气有害物质排放量,例如,能将氮氧化合物的排放量减少70%。当混合气过稀,传统电火花塞点不着时,激光火花塞“喷”出的极高温等离子体,仍能毫不费力可靠地点燃过稀的燃油空气混合气体,这就能完全避免因混合气过稀或点火能量过低而不能有效点火的高速失火故障。

    新近研发的大功率激光二极管的激光脉冲能够在燃烧室的任何一个部位聚焦,这为进一步改进气缸内混合气的燃烧过程提供了前提条件。激光火花塞在气缸壁上开的“点火窗”非常小,也不会在火花塞上形成积炭层或机油沉积等。激光火花塞的激光光束能够很容易将所有可能沉积到透镜上的物质燃烧掉,因此不会影响等离子体形成极其精确定位。激光点火系统还可以通过计算机收集数据,了解缸内燃料的燃烧效率。此外,激光火花塞让低温下的点火不再受限制,并由于激光的稳定性,低温起车时可显著减少喷油量。

    奥地利科学家和工程师研制的激光火花塞已成功地应用于单缸试验样机上,也通过了极端温度和剧烈震动环境下的测试项目。许多轿车整车制造商的研发部门都对这两家公司研发的激光火花塞表现出了极大的兴趣。激光火花塞的小型化设计及驱动电源问题基本得到解决,但其制造成本目前还比较高,无法与轿车发动机使用的传统电火花塞的价格进行竞争,专家预计将激光火花塞批量地应用于轿车,还需“几年”的时间,目前的应用目标是将激光火花塞首先会应用于燃气(油)发电机和抽运天然气的大缸径天然气发动机中。

    美国科罗拉多州立大学的一个联合研究小组,发明出一种利用光纤传输激光到大缸径天然气发动机气缸内的激光点火器。样机试验结果表明,这种方法可显著提高热机效率和点火系统的可靠性,减少废气排放,能够实时监测缸内燃烧状况,利用合适的透镜聚焦激光束,可将火花定位于发动机气缸内的最佳位置。研究人员期望将其主要应用于燃气(油)发电机和抽运天然气的大缸径天然气发动机中。美国阿尔贡国家实验室和美国国家能源技术实验室也在从事相关研究。

    该文已发表于《车王》杂志2009年第11期。

QQ:642066225

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