Лазери заменят свещите

Японски учени представиха първата в света достатъчно компактна и надеждна система за лазерно запалване за бензинови двигатели. Разработката им може да се монтира на конвенционална цилиндрова глава и издържа без проблем изключително високите термични натоварвания, на които са подлагани традиционните свещи.
Технологията, която се смята за революционен пробив в областта на запалителните системи за последните 150 години, бе представена по време на тазгодишната Конференция за лазерна и електрическа оптика (CLEO: 2011) в Балтимор миналата седмица от проф. Такунори Таира от Нацианалния институт за естествени науки на Япония.

Идеята за замяна на електродните свещи с лазерен лъч не е нова. Досега обаче подобни устройства бяха прекалено големи, за да се поберат под предния капак на който и да било автомобил. Новата японска разработка е първа по рода си и заради това, че възпламенява гориво-въздушната смес не с един, а с два и дори три лъча едновременно.

Системата е изработена от керамика, което позволява да бъде произвеждана в индустриални количества при ниска себестойност, твърди проф. Таира. Според него конвенционалните свещи са достигнали тавана на технологичното си развитие и вече не позволяват подобряване на икономичността и намаляване на вредните емисии от азотни окиси, които са основен компонент на градския смог. Работят на един и същи принцип от век и половина, като възпламеняват горивната смес с високоволтова електрическа искра, генерирана между електроди. Контролираната експлозия движи буталата в цилиндрите.

Остатъчен продукт от процеса на горене са именно азотните окиси. Колкото по-бедна е сместа, толкова по-малко от тях се отделят при работата на двигателя. Традиционните свещи могат да запалват по-бедни смеси единствено чрез увеличаване на енергията на искрата. За съжаление колкото по-висок е волтажът, толкова по-интензивно корозират електродите. Пред лазера такива пречки не съществуват, тъй като възпламенява сместа посредством концентрирана светлинна енергия.

Новата японска технология обещава и пробив в намаляването на разхода. Традиционните свещи обикновено са монтирани в горната част на камерата и възпламеняват само сместа, която е близо до електродите. По-студеният метал до свещта и стените на цилиндъра поглъщат част от термичната енергия на експлозията, а буталото задушава пламъка точно когато той започне да се разпространява. Според Таира лазерният лъч може да се фокусира право в центъра на гориво-въздушния облак в камерата. Така пламъкът се разпространява симетрично и до три пъти по-бързо отколкото при конвенционална свещ.

Не по-маловажна е и скоростта на освобождаване на енергията от лазера. При оптичния лъч тя се измерва в наносекунди, докато на свещите са нужди милисекунди. Колкото по-прецизно е избран моментът на запалването, толкова по-ефективно горене се получава. За да го предизвика, лазерът трябва да фокусира светлина от около 100 гигавата на квадратен сантиметър с къси импуси от над 10 милиджаула всеки. "Нито един от досегашните лазери не можеше да отговори на такива изисквания, защото бяха прекалено големи, неефектинвни и нестабилни. Не можеше да бъдат монтирани и отделно от двигателя, защото мощните лъчи биха унищожили оптичните влакна, по които да се доставя светлината до цилиндрите", казва проф. Таира.

Неговият екип се е справил с проблемите чрез създаването на композитен микролазер от разтопен керамичен прах, от който са получени прозрачни тела с метални йони, рагулиращата свойствата им. Настройката на керамична оптика става много по-лесно, отколкото на конвенционален кристал. Освен това композитният материал е много по-здрав, издръжлив и топлопроводим.

Лазерът на Таира се състои от два сегмента от итрий, алуминий и галий. Единият е легиран с елемента неодим, а другият - с хром. Двете секции оформят тяло с размери от едва 9 на 11 мм. Лазерът отдава 800-пикосекунден импулс, който не е достатъчен за възпламеняване на сместа. Серия от импулси обаче предизвиква запалване. Към момента системата работи с два лъча, които възпламеняват сместа на две различни места в камерата. Японците обаче вече конструират лазер с три лъча.

Според проф. Таира интерес към новата технология има от голям производител на свещи и от DENSO Corporation, част от Toyota Group.