采用雙模式激光氣體擊穿方式下的點火裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于先進(jìn)激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光點火裝置及方法，特別涉及一種采用連續(xù)、脈沖雙模式激光，以氣體擊穿方式產(chǎn)生等離子火花，從而進(jìn)行點火的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光點火裝置是一種用于發(fā)動機內(nèi)部點火的裝置，主要涉及兩種點火方式，即氣體擊穿點火方式與靶部擊穿點火方式。其中，氣體擊穿點火方式的工作原理是使高峰值功率的脈沖激光輸入到發(fā)動機的燃燒室內(nèi)，當(dāng)激光功率密度超過燃燒室內(nèi)燃料氣體混合物的擊穿閾值時，在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生等離子火花，等離子火花按與傳統(tǒng)電火花類似的點火方式將燃料空氣混合物迅速點燃。作為提高發(fā)動機效率的裝置，使用激光對燃燒室內(nèi)的燃料空氣混合物點火的激光點火裝置備受矚目。相比傳統(tǒng)的電火花點火，氣體擊穿式激光點火與其主要區(qū)別在于:第一，激光點火火花可以自由地置于燃燒室的深處，進(jìn)而具備更好的點燃條件，提高燃料的燃燒速度與效率；傳統(tǒng)的電火花點火，燃料空氣混合物直接在燃燒室壁附近被點燃，點火范圍小，燃燒面較窄，燃燒速度與效率受到限制。第二，激光點火為非接觸式點火，傳統(tǒng)電火花塞點火為接觸式點火，受燃燒室高溫以及燃料影響，因此激光點火裝置相比傳統(tǒng)使用電火花塞點火的裝置具有更長的使用壽命。第三，激光產(chǎn)生的等離子火花的能量可以通過提高激光功率而上升，不易產(chǎn)生點火裝置的摩損。但在傳統(tǒng)電火花點火的情況下，會導(dǎo)致電極的摩損。第四，從發(fā)動機工作的一個循環(huán)到另一個循環(huán)之間噴出燃料的幾何形狀與燃料空氣混合物的范圍會發(fā)生變動，對于傳統(tǒng)電火花點火來說，會導(dǎo)致點火情況發(fā)生改變，點火不可靠，但對于氣體擊穿式激光點火來說，無明顯影響。
[0003]盡管氣體擊穿式激光點火相比傳統(tǒng)電火花點火具有更大的優(yōu)勢，但是現(xiàn)有的激光點火方案及裝置存在著多種問題。具體表現(xiàn)在:第一，所需用于擊穿燃料空氣混合物的脈沖激光的功率密度極高；第二，激光發(fā)射端的輸入光學(xué)件易在運行時受到高能激光的影響；第三，對于多個激光束疊加在一點進(jìn)行點火的情況，相交點位置的調(diào)整與脈沖時間上的級聯(lián)難度較大；第四，在燃料輸入與點火之間，不能促使燃料與空氣更充分的混合，不能實現(xiàn)二者接觸面積的增加與燃燒效率的提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有氣體擊穿式激光點火裝置及方法所存在的問題，本發(fā)明提供了一種有效的解決方案。通過采用連續(xù)、脈沖雙模式激光點火裝置及方法，解決上述問題。
[0005]本發(fā)明提供一種采用連續(xù)、脈沖雙模式激光氣體擊穿方式下點火的裝置及方法。
[0006]本發(fā)明的主要內(nèi)容是采用連續(xù)、脈沖雙模式激光對發(fā)動機進(jìn)行氣體擊穿方式的點火。首先，采用連續(xù)激光對燃料空氣混合物進(jìn)行預(yù)熱，同時在燃料空氣混合物中產(chǎn)生極大的溫度梯度，引起混合物發(fā)生對流，進(jìn)而實現(xiàn)燃料空氣的充分混合，增大二者接觸面積；其次，使用脈沖激光實現(xiàn)對燃料空氣混合物的擊穿，產(chǎn)生等離子火花，實現(xiàn)發(fā)動機的點火。由于連續(xù)激光的預(yù)熱與促使燃料空氣充分混合的作用，因此:第一，對脈沖激光器的激光輸出功率的要求下降，可以使用光束質(zhì)量更為優(yōu)秀的激光源；第二，脈沖激光的輸出功率降低，對光學(xué)元件的影響降低，有助于更可靠的完成點火工作；第三，燃料與空氣的充分混合有助于燃燒面積的增加與燃料燃燒效率的提高。
[0007]本發(fā)明還提供一種采用連續(xù)、脈沖雙模式激光氣體擊穿方式下點火的裝置，它主要包括連續(xù)激光發(fā)射端、脈沖激光發(fā)射端、燃料噴射裝置、汽缸蓋、燃燒室、活塞等。脈沖激光發(fā)射端、連續(xù)激光發(fā)射端、燃料噴射裝置均集成在汽缸蓋的殼體上。在激光發(fā)射端內(nèi)部，將激光送入發(fā)動機燃燒室內(nèi)的輸入光學(xué)系統(tǒng)由準(zhǔn)直聚焦透鏡系統(tǒng)以及燃燒室導(dǎo)入窗口構(gòu)成。其中，該透鏡系統(tǒng)可通過控制裝置實現(xiàn)激光焦點位置的調(diào)整；該導(dǎo)入窗口構(gòu)成了激光進(jìn)入燃燒室內(nèi)的最后一個光學(xué)元件，且激光發(fā)射端不伸入燃燒室內(nèi)。本裝置的核心部分在于引入了連續(xù)激光發(fā)射端。連續(xù)激光發(fā)射端所發(fā)射的連續(xù)激光起到對燃料空氣混合物預(yù)熱的作用。不僅可以有效降低產(chǎn)生等離子火花的脈沖激光的功率閾值，縮短產(chǎn)生等離子火花的時間，還可以在燃料空氣混合物內(nèi)部產(chǎn)生極大的溫度梯度，引起對流，促使燃料空氣充分混合，以達(dá)到增加燃料空氣接觸面積、更為充分燃燒的目的，進(jìn)而有效提高發(fā)動機點火速度與燃燒效率。
[0008]傳統(tǒng)的火花塞由于燃燒室內(nèi)部高溫而不能伸入過深，因此只能在燃料空氣混合區(qū)域邊緣上點火。而激光點火裝置通過透鏡控制系統(tǒng)將輸入到燃燒室內(nèi)的脈沖激光聚焦于燃料空氣混合區(qū)域內(nèi)部，產(chǎn)生等離子火花進(jìn)行點火。與傳統(tǒng)電火花塞點火在邊緣上相比，從點火位置開始直到燃料空氣混合區(qū)域邊緣，火焰行程明顯縮短，因此點火更快，燃燒范圍更大。在連續(xù)、脈沖雙模式激光點火方式下，其效果將更為顯著，能夠更可靠地完成點火工作。此外，由于預(yù)熱的作用，使得點火裝置對脈沖激光器的輸出功率要求下降，可以使用光束質(zhì)量更為優(yōu)秀的激光源。對于高光束質(zhì)量的激光束，其強度范圍相比低光束質(zhì)量情況下將顯著提高。通過調(diào)節(jié)焦點位置，使強度范圍位于燃料空氣混合物內(nèi)部。因此，在燃料空氣混合區(qū)域內(nèi)部較大范圍產(chǎn)生等離子火花來對燃料空氣混合物點火，具有更大的點火面積，使點火更快，燃燒范圍更廣。這里所提到的激光強度范圍是指，激光束經(jīng)聚焦后，其在傳播路徑上，功率密度超過燃料氣體混合物擊穿閾值的區(qū)域。
[0009]根據(jù)本發(fā)明采用連續(xù)、脈沖雙模式激光氣體擊穿方式下的點火裝置及方法，能夠始終可靠地產(chǎn)生等離子火花對燃燒室內(nèi)的燃料空氣混合物進(jìn)行點火，并且能夠有效增加點火路徑/范圍、提高點火速度，增大燃燒面積、提高燃燒效率、節(jié)省燃料。
【附圖說明】
[0010]為使本發(fā)明實施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述，其中:
[0011]圖1是本發(fā)明所涉及的發(fā)動機激光點火裝置的局部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。
[0012]圖中:1-連續(xù)激光發(fā)射端，2-脈沖激光發(fā)射端，3-燃料噴射裝置，4-汽缸蓋，5-燃燒室，6-活塞。
【具體實施方式】
[0013]圖1是本發(fā)明所涉及的發(fā)動機激光點火裝置的局部結(jié)構(gòu)剖面示意圖，對連續(xù)、脈沖雙模式激光氣體擊穿式點火裝置及方法進(jìn)行說明。
[0014]激光點火裝置具備連續(xù)激光發(fā)射端1，脈沖激光發(fā)射端2，燃料噴射裝置3，汽缸蓋4，燃燒室5，活塞6，以及其他公知的構(gòu)件(在圖1中并未示出)。連續(xù)激光發(fā)射端I出射用于照射燃料空氣混合物并起到對其預(yù)熱的功能的連續(xù)激光。脈沖激光發(fā)射端2出射用于擊穿燃料空氣混合物而產(chǎn)生等離子火花的功能的脈沖激光。對于激光光源而言，連續(xù)激光發(fā)射端I使用的是連續(xù)激光發(fā)射源，例如使用CO2連續(xù)激光器、Nd:YAG固態(tài)連續(xù)激光器等；脈沖激光發(fā)射端2使用的是脈沖激光發(fā)射源，例如使用納秒脈沖激光器、皮秒脈沖激光器等。
[0015]連續(xù)激光發(fā)射端1、脈沖激光發(fā)射端2、燃料噴射裝置3均集成在汽缸蓋4的殼體上。優(yōu)選地，脈沖激光發(fā)射端2位于氣缸軸線上，連續(xù)激光發(fā)射端I與燃料噴射裝置3位于軸線對稱的兩側(cè)。優(yōu)選地，連續(xù)激光發(fā)射端1，脈沖激光發(fā)射端2，燃料噴射裝置3各自的軸線匯聚于燃燒室內(nèi)的一點，該點也為連續(xù)、脈沖激光光束的共同焦點。在激光發(fā)射端(包括連續(xù)激光發(fā)射端1、脈沖激光發(fā)射端2)內(nèi)部，將激光送入發(fā)動機燃燒室內(nèi)的輸入光學(xué)系統(tǒng)由準(zhǔn)直聚焦透鏡系統(tǒng)以及燃燒室導(dǎo)入窗口構(gòu)成。其中，該透鏡系統(tǒng)設(shè)置在激光的光路上，具有控制激光光路，并經(jīng)由激光導(dǎo)入部將激光導(dǎo)入燃燒室內(nèi)的功能。通過控制裝置，可以實現(xiàn)對透鏡系統(tǒng)的控制，使透鏡在沿著激光光路的方向上移動，從而調(diào)整激光的焦點位置與強度范圍。另外，該導(dǎo)入窗口構(gòu)成了激光進(jìn)入燃燒室內(nèi)的最后一個光學(xué)元件，且激光發(fā)射端不伸入燃燒室內(nèi)。
[0016]在具備如上述所構(gòu)成的氣體擊穿式激光點火裝置的發(fā)動機中，使用本發(fā)明提供的一種采用連續(xù)、脈沖雙模式激光進(jìn)行氣體擊穿式點火的方法，包括如下步驟:
[0017]步驟1:燃料經(jīng)燃料噴射裝置3噴射到發(fā)動機燃燒室5內(nèi)，在活塞6上部區(qū)域形成燃料空氣混合物。
[0018]步驟2:在燃料噴射結(jié)束與脈沖激光點火開始之間，連續(xù)激光由連續(xù)激光發(fā)射端I導(dǎo)入到燃燒室5內(nèi)，經(jīng)準(zhǔn)直聚焦透鏡系統(tǒng)聚焦于所期待的位置，對燃料空氣混合物進(jìn)行預(yù)熱，有效降低產(chǎn)生等離子火花的脈沖激光的功率閾值，縮短產(chǎn)生等離子火花的時間；同時，在燃料空氣混合物內(nèi)部產(chǎn)生極大的溫度梯度，引起對流，促使燃料空氣充分混合。
[0019]步驟3:脈沖激光由脈沖激光發(fā)射端2導(dǎo)入到燃燒室5內(nèi)，經(jīng)準(zhǔn)直聚焦透鏡系統(tǒng)聚焦于燃料空氣混合物內(nèi)部。其中，脈沖激光光路傾角可變、焦距可調(diào)，脈沖激光以氣體擊穿方式產(chǎn)生等離子火花，進(jìn)而，對已經(jīng)預(yù)熱并充分混合的燃料空氣混合物進(jìn)行均勻點火。
[0020]步驟4，燃料快速、高效、大范圍燃燒，推動活塞6沿燃燒室5的中心軸方向運動，使發(fā)動機