未来发动机点火“新钥匙”距离我们还有多远？

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导语：激光与核能、电脑和半导体被称为20世纪人类的四大发明，激光被称为最亮的光……


激光点火，又被称为激光诱导火花点火，即利用激光光源进行发动机点火。
由于该技术具有更强的点火能力和控制点火能力，能够有效改善发动机燃烧，从而达到降低油耗、气耗，控制排放的目的。
一、 发动机激光点火分类多
激光点火系统包括激光泵、光纤和激光火花塞，激光泵产生激光，光纤将激光泵产生激光传输至缸内，激光火花塞聚焦激光，形成着火点。


1、神奇的能量源：激光泵
激光泵，也被称作激光器，是激光点火的能量源。
基于微片技术的准连续抽运被动调QNd/YAG/Cr:YAG激光器具有体积小、结构紧凑、运行稳定、寿命长、全固态化、较高的转换效率等优点，可输出高峰值功率短脉宽的激光脉冲，是内燃机激光诱导火花点火系统的理想光源。
激光泵除了产生激光，另外还需要控制激光发火次序和发火间隔，按照发动机运行要求调整频次，该控制过程是激光泵中的技术核心。例如6缸1500rpm的发动机，在1s内要完成12.5次点火，对控制精度和相应速度都有着较高的要求。

• QNd/YAG/Cr:YAG激光器[1]
  

2、传输光束的高压线：光纤
光纤类似传统发动机的高压线，其作用是传输光束，为激光火花塞提供能量。
当前，进行研究应用的光纤类型包括：涂层空心光纤、突变型石英光纤、大型覆盖光纤、光子晶体光纤、Kagome光纤，而复合型纤维能够发挥多种光纤的优点，从而提供更加可靠地光纤传输方案。例如，在福特单缸直喷汽油机中，就采用了内摆线空心结构的Kagome光纤，完成了2400rpm下的短期耐久测试。

• 光纤结构图
  

3、着火点技能：激光火花塞
激光火花塞的作用是将激光聚焦成着火点，从而能够完成点火功能。
同时，激光火花塞能够根据要求提供多束激光的方案，也就是产生“多点”点火，进一步提升发动机的点火能力。多点点火激光火花塞采用陶瓷材料和复合结构，通过全多晶介质的光学键合方法制造出来，如下图中的两束和三束激光火花塞。
激光火花塞最大的优势在于不会受积碳的影响，并且不存在普通火花塞电极磨损的问题，大大延长了更换时间。

• 激光火花塞
  

二、激光点火关键作用从何体现？
1、点火能力强劲
激光点火和火花点火都是通过形成高温高压的等离子体来点燃混合气，但激光点火能量远超过火花点火。激光点火的点火能量转换速率比火花点火高5个数量级，这就极大地提升了点火能力。
同时，由于没有火花点火所使用的电极，激光点火能够减小热损失及淬熄效应，提高着火的稳定性。激光点火借助超强的点火能力，能够有效提升燃烧初期火焰发展速度，实现提升发动机的经济性和优化排放的目的。
2、点火控制灵活
激光点火在点火位置、点火能量、点火时刻控制上高度灵活。可根据工况调整可以选择任意的点火位置，根据火焰发展的需求设计具体着火点，还可以设计多个着火点，实现多点点燃，从而能够实现最优燃烧的效果。
3、点火进程可靠
激光点火在激光泵产生激光，不受缸内燃料和燃烧的影响，即使在腐蚀性燃料中也能正常工作。同时，激光脉冲的高能量能够实现自清洁性，有利于提高点火系统的使用寿命，保证更加稳定工作。相对于普通火花塞，由于不存在电极损耗， 激光点火不需要定期更换，维修保养更加方便。
三、国产激光点火关键技术前景优势显著
1、南京理工大学——微片激光器
南京理工大学针对用于发动机激光器进行了研究，设计了微片激光器的光路结构，搭建了微片激光器试验系统及数据测试系统，通过采用复合晶体结构和集成的抽运组件，最终开发了一种高性能的Nd:YAG/Cr:YAG微片激光器。
A型原理样机的单脉冲能量为3.5mJ，脉宽为2.1ns，峰值功率为1.67MW。
B型原理样机的单脉冲能量为1.4mJ，脉宽1.0ns，峰值功率1.4MW[1]。

• Nd:YAG/Cr:YAG微片激光器[1]
  

2、清华大学——乙醇燃烧研究
清华大学在光学发动机平台上，采用可视化的方法，对比研究了激光点火与火花点火对发动机燃烧过程的影响。
通过研究发现，激光点火能够提升燃烧速度，有效地降低燃烧循环波动，从而能够提升稀薄燃烧极限空燃比。
同时，由于激光点火能够更加灵活设置点火点，该团队还研究了激光点火位置对燃烧影响，发现合理设置点火位置，能够减弱壁面对初始火核的淬熄效应[2]。

• 激光点燃乙醇试验系统[2]
  

除此之外，我国中国科学院大学、浙江大学、西安交通大学都有关于激光点火的研究，这些研究从激光点火系统和激光点火技术获得了诸多成果。
3、国产激光点火汽车——从概念到实践
此前，某国产汽车在发布其新型概念车时已提出了采用激光点火方式。
该技术将应用于汽油机点火，进一步降低发动机油耗，提升发动机的排放性能，为未来新一代的发动机提供点火新方式。

• 激光火花塞和普通火花塞对比
  

激光点火发动机技术已经日渐成熟，并且向人们证明了其优越的点火性能，该技术也正在以可见的速度向我们未来生产生活所需的产业逐步靠近。通过当前的技术研究，从汽油机到天然气发动机，从转子发动机到四冲程发动机，激光点火技术已经趋于成熟，从技术的角度上已经具备市场推广潜力。
结语：
未来，随着可再生能源燃料的发展，如甲醇、乙醇、氨气、二甲醚等，内燃机仍然将会在市场中占据一席之地，而“激光点火”也终将迎来属于它的时代。
参考文献：
[1]高旭恒. 适于内燃机激光点火的准连续抽运被动调Q微片激光器技术研究[D]. 南京理工大学.
[2]蒋一洲. 乙醇燃料激光点火火焰传播特性可视化试验研究[D].清华大学,2018