a Diagrama esquemático de la ignición ultracorta del filamento láser de un flujo de mezcla pobre de metano / aire premezclada. b Imágenes de vista lateral del flujo de la mezcla de metano / aire irradiado por un filamento láser fs intenso a diferentes energías láser incidentes. Crédito:Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, y Ruxin Li
La ignición por láser (LI) es una alternativa prometedora sin electrodos a la ignición por chispa electrónica de mezclas pobres de combustible / aire, ofreciendo alta eficiencia térmica con bajas emisiones nocivas. Uno de los métodos LI más ampliamente adoptados es el encendido por chispa inducido por láser de nanosegundos (ns-LISI), en las que las mezclas combustibles se someten a ionización multifotónica seguida de descomposición por avalancha, resultando en plasma de alta temperatura y alta presión junto con ondas de choque. Sin embargo, Las inevitables fluctuaciones de energía de disparo a disparo que resultan de ns fuentes de luz conducen a la naturaleza estocástica de la avería. influyendo en las rutas de reacción y produciendo posibles fallos de encendido.
Aunque LI no es un concepto nuevo, Se considera comúnmente que la ignición de mezclas de combustible pobre con un láser ultracorto de femtosegundo (fs) es difícil de realizar, ya que la ruptura de la avalancha no puede ocurrir en la escala de tiempo fs. y la temperatura del plasma inducida por láser fs es 1-2 órdenes de magnitud menor que la bombeada por láseres ns, ambos disminuyen la inflamabilidad del combustible pobre. En efecto, Hasta ahora, los investigadores no han logrado encender mezclas magras utilizando láseres intensos de pulsos fs.
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Huailiang Xu del State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, Facultad de Ciencias e Ingeniería Electrónica, Universidad de Jilin, Porcelana, y el profesor Ruxin Li del Laboratorio Estatal Clave de Física de Láser de Campo Alto, Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai, Academia china de ciencias, han demostrado la realización exitosa y la robustez de fs-LI mediante la irradiación de una mezcla pobre de metano / aire con un intenso pulso de láser fs en el régimen de filamentación. Se revela que la energía del láser de la bomba para la combustión pobre puede disminuir a ∼1.5 mJ con una deposición de energía de ∼25%, lo que implica que solo se necesita energía sub-mJ para lograr fs-LI. Probaron la ignición del láser con una energía láser de 1.8 mJ más de 1000 veces y, en consecuencia, lograron una tasa de éxito del 100%. mostrando la robustez de este enfoque para encender mezclas magras. El presente enfoque tiene aplicabilidad general a las complejas condiciones de combustión en una variedad de motores que no están en relaciones estequiométricas.
a Imágenes de vista lateral para la evolución dinámica del núcleo de llama encendido por el filamento láser fs. b Acoplamientos de energía de plasma en el flujo de aire y metano premezclado medido con tasas de repetición de láser de 50 (triángulo azul), 100 (círculo verde) y 200 Hz (cuadrado rojo). c Espectros OES inducidos por filamentos de la mezcla de combustible pobre obtenido con diferentes retrasos temporales del ICCD; Recuadro:las intensidades de señal de los radicales OH (rectángulo rojo) y CH (punto azul) medidas en función del retardo de la puerta. Crédito:Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, y Ruxin Li
Se muestra que el esquema fs-LI tiene dos ventajas principales en comparación con el esquema ns-LISI:(i) energía de ignición ultrabaja, que es aproximadamente un orden de magnitud menor que en el esquema ns-LISI, y (ii) tasa de éxito de ignición del 100%. El mecanismo fs-LI se atribuye al efecto térmico por deposición de energía láser en el filamento seguido de reacciones químicas de combustión y la robustez del efecto de encendido de la línea. que se describe en detalle a continuación:
"El equilibrio dinámico entre el autoenfoque y el desenfoque de plasma en el filamento láser permite la generación de varios canales de plasma de rango Rayleigh o más largos con la intensidad del láser fijada en ∼50-100 TW / cm 2 nivel. Las moléculas de combustible pueden activarse e incluso fragmentarse mediante filamentos láser de alta intensidad. produciendo muchos intermedios de combustión. En particular, el filamento largo ofrece la posibilidad de encendido `` multipunto '' a lo largo del filamento, denominado encendido de 'línea', lo que puede ayudar a mejorar la confiabilidad de encendido de mezclas magras ".
"Además, dentro del filamento láser fs, aunque la temperatura inicial de las moléculas de gas se determina a través de varias vías de deposición de energía, como ionización multifotónica / túnel, disociación, Excitación Raman, y la excitación por colisión es de aproximadamente 1400 K, la reacción de oxidación a baja temperatura de las moléculas de metano todavía puede ocurrir, que permite la iniciación de reacciones químicas combustibles, ", agregaron.
"El enfoque actual, en el que la ignición ultracorta con láser de mezclas de combustible pobre funciona en un filamento de plasma de temperatura relativamente baja y de un centímetro de largo, no solo tiene aplicabilidad general a condiciones de combustión complejas en una variedad de motores que no están en relaciones estequiométricas, pero ofrece posibilidades para investigar procesos físicos / químicos ultrarrápidos en la escala de tiempo fs / ps después de la interacción láser-combustible, "concluyen los científicos.
