a Diagrama esquemático da ignição do filamento de laser ultracurto de um fluxo de mistura de metano / ar pobre pré-misturado. b Imagens de vista lateral do fluxo da mistura metano / ar irradiado por um intenso filamento de laser fs em diferentes energias de laser incidentes. Crédito:Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, e Ruxin Li
A ignição a laser (LI) é uma alternativa promissora sem eletrodo para a ignição por faísca eletrônica de misturas de combustível pobre / ar, oferecendo alta eficiência térmica com baixas emissões nocivas. Um dos métodos de LI mais amplamente adotados é a ignição por centelha induzida por laser de nanossegundos (ns-LISI), em que as misturas de combustíveis passam por ionização multifotônica seguida pela quebra de avalanche, resultando em plasma de alta temperatura e alta pressão, juntamente com ondas de choque. Contudo, as inevitáveis flutuações de energia de tiro a tiro resultantes de fontes de luz ns levam à natureza estocástica da quebra, influenciando rotas de reação e produzindo falha de ignição potencial.
Embora LI não seja um conceito novo, é comumente considerado que a ignição de misturas de combustível pobre por um laser de femtossegundo (fs) ultracurto é difícil de realizar, uma vez que a avalanche não pode ocorrer na escala de tempo fs, e a temperatura do plasma induzida por laser fs é 1-2 ordens de magnitude menor do que a bombeada por lasers ns, ambos diminuem a inflamabilidade do combustível pobre. De fato, os pesquisadores não conseguiram até agora acender misturas magras usando lasers intensos com pulsação fs.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Huailiang Xu do Laboratório Estadual de Optoeletrônica Integrada, Faculdade de Ciência Eletrônica e Engenharia, Jilin University, China, e o Professor Ruxin Li do Laboratório Estadual de Física de Laser de Alto Campo, Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai, Academia Chinesa de Ciências, demonstraram a realização bem-sucedida e a robustez do fs-LI ao irradiar uma mistura pobre de metano / ar com um pulso de laser fs intenso no regime de filamentação. É revelado que a energia do laser da bomba para combustão pobre pode diminuir para ∼1,5 mJ com uma deposição de energia de ∼25%, implicando que é necessário apenas energia sub-mJ para atingir fs-LI. Eles testaram a ignição do laser com uma energia de laser de 1,8 mJ mais de 1000 vezes e, consequentemente, alcançaram uma taxa de sucesso de 100%, mostrando a robustez desta abordagem para inflamar misturas pobres. A presente abordagem tem aplicabilidade geral às condições de combustão complexas em uma variedade de motores que não estão em razões estequiométricas.
a Imagens de vista lateral para a evolução dinâmica do kernel da chama inflamado pelo filamento do laser fs. b Acoplamentos de energia de plasma no fluxo de metano-ar pré-misturado medido com taxas de repetição de laser de 50 (triângulo azul), 100 (círculo verde) e 200 Hz (quadrado vermelho). c Espectros OES induzidos por filamento da mistura de combustível pobre obtido com diferentes atrasos temporais do ICCD; Detalhe:as intensidades do sinal dos radicais OH (retângulo vermelho) e CH (ponto azul) medidos em função do atraso do gate. Crédito:Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, e Ruxin Li
É mostrado que o esquema fs-LI tem duas vantagens principais em comparação com o esquema ns-LISI:(i) energia de ignição ultrabaixa, que é cerca de uma ordem de magnitude menor do que no esquema ns-LISI, e (ii) taxa de sucesso de ignição de 100%. O mecanismo fs-LI é atribuído ao efeito térmico por deposição de energia do laser no filamento seguido por reações químicas de combustão e a robustez ao efeito de ignição da linha, que é descrito em detalhes como abaixo:
"O equilíbrio dinâmico entre a autofocagem e a desfocagem de plasma no filamento do laser permite a geração de vários canais de plasma de gama Rayleigh ou mais longos com a intensidade do laser fixada em ∼50-100 TW / cm 2 nível. As moléculas de combustível podem ser ativadas e até mesmo fragmentadas por filamentos de laser de alta intensidade, produzindo muitos intermediários de combustão. Em particular, o filamento longo oferece a possibilidade de ignição 'multiponto' ao longo do filamento, referido como ignição de 'linha', o que pode ajudar a melhorar a confiabilidade da ignição de misturas pobres. "
"Além disso, dentro do filamento do laser fs, embora a temperatura inicial das moléculas de gás seja determinada por meio de várias vias de deposição de energia, como ionização multifotônica / túnel, dissociação, Excitação Raman, e a excitação de colisão é de apenas aproximadamente 1400 K, a reação de oxidação de baixa temperatura das moléculas de metano ainda pode ocorrer, que permite o início de reações químicas combustíveis, "acrescentaram.
"A abordagem atual, em que a ignição a laser ultracurta de misturas de combustível pobre funciona em um filamento de plasma de temperatura relativamente baixa e centímetro de comprimento, não só tem aplicabilidade geral para condições de combustão complexas em uma variedade de motores que não estão em relações estequiométricas, mas fornece possibilidades para investigar processos físicos / químicos ultrarrápidos na escala de tempo fs / ps após a interação laser-combustível, "concluem os cientistas.
