Laserowy zapłon może zwiększyć sprawność silników spalinowych, co zmniejszyłoby zanieczyszczenie środowiska i obniżyło koszty eksploatacji – informuje serwis “EurekAlert”.
Do niedawna lasery na tyle mocne, by zapalić mieszankę paliwowo-powietrzną były zbyt duże, aby zmieściły się pod maską samochodu. Jednak podczas tegorocznej konferencji CLEO 2011 w Baltimore (1-6 maja) japońscy naukowcy przedstawią pierwszy wielowiązkowy system wystarczająco mały, by go przytwierdzić do cylindra silnika.
Jak wyjaśnił Takunori Taira z japońskiego instytutu nauk przyrodniczych, system laserowy został wykonany z proszkowych materiałów ceramicznych i można go będzie wytwarzać tanim kosztem na masową skalę. Z japońskimi naukowcami współpracuje zespół ekspertów z Rumunii.
Dotychczas stosowana świeca zapłonowa wyzwala iskrę elektryczną, która zapala mieszankę paliwowo-powietrzną. Jej wybuch porusza tłok, którego ruch przenoszony jest przez wał korbowy i przekładnie na koła. Dzięki zastąpieniu iskry elektrycznej laserowym impulsem można ograniczyć emisję tlenków azotu, jednego z głównych składników smogu, ponieważ silnik zadowoli się uboższą mieszanką (więcej powietrza, mniej paliwa).
Spalanie uboższej mieszanki w silniku ze świecami zapłonowymi wymagałoby większej energii iskry – a to uszkadza elektrody świecy i na dłuższą metę jest nieopłacalne. Natomiast laser wykorzystuje wysokooenergetyczne impulsy światła – nie ma więc elektrod. W dodatku zapala mieszankę nie przy wierzchołku cylindra, ale w jego centrum – dzięki czemu spalanie jest bardziej ekonomiczne.
Kolejnym plusem jest w przypadku lasera krótki czas trwania impulsu – liczony w nanosekundach (miliardowych częściach sekundy) – a nie milisekundach (tysięcznych częściach sekundy), co ułatwia idealne dobranie momentu zapłonu.
Wszystko to wymaga skoncentrowania mocy około 100 gigawatów (miliardów watów) na centymetr kwadratowy w postaci bardzo krótkich impulsów o energii ponad 10 milidżuli każdy. Takich impulsów musi bardzo wiele w ciągu sekundy. Nic dziwnego, że opracowanie małego i niezawodnego lasera o potrzebnych parametrach nie było łatwe. Lasera nie można zamontować gdzieś w bagażniku – musi być przy samym cylindrze, bo tak wielka energia zniszczyłaby światłowody.
Dzięki wykonaniu lasera z ceramiki YAG (itrowo-aluminiowo-galowej), z domieszką neodymem i chromem jest on bardzo odporny na ciężkie warunki użytkowania i łatwiej rozprasza ciepło niż na przykład lasery krystaliczne. A jego wymiary to zaledwie 9 na 11 milimetrów. Laser wytwarza jednocześnie dwie wiązki, by zapalać mieszankę w dwóch miejscach na raz. Trwają prace nad uzyskaniem trzech wiązek – dla dalszej poprawy parametrów.
Ponieważ pojedynczy, 800-pikosekundowy impuls byłby za słaby, za każdym razem emitowany jest ciąg impulsów. Typowy silnik wymagałby około 60 laserowych zapłonów w ciągu sekundy. Naukowcom udało się już osiągnąć 100 zapłonów na sekundę.
“Laserowego” silnika nie zainstalowano na razie w fabrycznym modelu samochodu, jednak jego twórcy współpracują z odpowiednimi firmami – między innymi Denso, należącą do grupy Toyota.
