Lazerinė kibirkštis vidaus degimo varikliuose (20)
Daugiau kaip šimtas penkiasdešimt metų degimo žvakės suteikdavo galią vidaus degimo varikliams. Mašinų gamintojai žengė dar vieną žingsnį link naujos technologijos, kuri pakeis ilgai gyvuojančią sistemą lazeriniais degikliais. Naujoji technologija reiškia švaresnę, efektyvesnę ir ekonomiškesnę transporto priemonę.
|
Visi šio ciklo įrašai |
|
|
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Seniau pakankamai stiprūs lazeriai, kurie turėjo uždegti variklyje esantį oro ir kuro mišinį, buvo per dideli, kad būtų galima juos patalpinti po mašinos dangčiu. Šiais metais Lazerių ir elektro-optikos konferencijoje (Conference on Lasers and Electro Optics: CLEO) mokslininkai iš Japonijos pristatys daugiaspindulinę lazerinę sistemą, kuri yra pakankamai maža, kad būtų galima ją įsukti į variklio cilindro galvutę. Pasak vieno iš autorių, Takunorio Tairos (Takunori Taira), taip pat svarbu, kad naujoji lazerinė sistema yra pagaminta iš keramikos ir galėtų būti nebrangiai gaminama dideliais kiekiais. Takunori Taira dirba Japonijos gamtos mokslų nacionaliniame institute (Japan's National Institutes of Natural Sciences).
Taira pabrėžė, kad įprastos degimo žvakės buvo pagrindinis barjeras, siekiant pagerinti kuro ekonomiją ir sumažinti azoto oksidų (NOx), kurie yra pagrindiniai smogo komponentai, išmetimą į aplinką. Degimo žvakės veikia pasiųsdamos mažą, tačiau didelės įtampos kibirkštį tarp dviejų metalo elektrodų. Kibirkštis uždega oro ir kuro mišinį, esantį variklio cilindre. Išaugęs slėgis cilindre nustumia stūmoklį į cilindro dugną, ir ši galia sudaro sąlygas transporto priemonei judėti.
Varikliai gamina azoto oksidus, kurie yra šalutiniai degimo produktai. Jei varikliuose būtų naudojamas žymiai „liesesnis“ kuro ir oro mišinys, t. y. mišinyje būtų santykinai mažiau kuro, tai į aplinką būtų išmetama kur kas mažiau azoto oksido.
Degimo žvakės gali uždegti ir liesesnį kuro mišinį, bet tam reikia padidinti kibirkšties energiją. Blogiausia, kad didelės įtampos kuriama kibirkštis naikina degimo žvakės elektrodus taip greitai, kad toks sprendimas pasidaro tiesiog ekonomiškai nenaudingas. Tuo tarpu lazeriai, kurie uždega oro ir kuro mišinį su koncentruota šviesos energija, elektrodų neturi, todėl tokios problemos neiškyla.
Lazeriai taip pat padidina sistemos efektyvumą. Įprastinės degimo žvakės yra montuojamos ant cilindrų viršaus ir uždega oro ir kuro mišinį, esantį arti žvakės. Santykinai šaltas metalas, kuris yra šalia degimo žvakės elektrodų, bei cilindro sienelės sugeria kibirkšties šilumą, gesindami ugnį, kuri tik pradeda plėstis. Tuo tarpu lazeriai, kaip paaiškino Taira, gali sufokusuoti spindulius tiesiai į mišinio centrą. Nėra kibirkšties gesinimo, liepsnos frontas plečiasi simetriškiau ir iki trijų kartų greičiau, nei tai vyksta naudojant degimo žvakes.
Jis pabrėžė, kad labai svarbu, jog lazeriai savo energiją perduoda per kelias nanosekundes, kai žvakės tai darydavo milisekundžių lygmenyje. „Trumpas uždegimo laikas yra labai svarbus elementas. Kuo tiksliau parenkamas uždegimo momentas, tuo efektyvesnis gali būti degimo procesas bei didesnė kuro ekonomija“, – pasakė jis.
Nors lazerių panaudojimas žada mažesnę taršą bei didesnį kuro sąnaudų efektyvumą, iki šiol niekaip nesisekė pagaminti mažų ir pakankamai atsparių galingų lazerių. Vidaus degimui įžiebti lazeriai turi sufokusuoti šviesą apytiksliai iki šimto gigavatų į kvadratinį centimetrą. Kiekvieno trumpo impulso energija turi siekti iki dešimties milidžiaulių.
„Seniau tokius reikalavimus atitinkantys lazeriai negalėjo būti panaudoti tyrimams, nes jie buvo dideli, neefektyvūs ir nestabilūs“, – pasakė Taira. Jie negalėjo būti talpinami ir toliau nuo variklio, nes reikalingas galingas spindulys sugadintų bet kokius optinius pluoštus, skirtus šviesos energijai perduoti į cilindrus.
Tairos mokslininkų grupė apėjo šią problemą, gamindami kombinuotus lazerius iš keramikos miltelių. Milteliai yra pakaitinami ir patalpinami į šviesą praleidžiančias medžiagas. Įterpti metalų jonai padeda reguliuoti lazerių savybes. Keramiką optiškai valdyti lengviau, nei įprastus kristalus. Keramikinės medžiagos taip pat yra žymiai tvirtesnės, ilgaamžiškesnės ir lengviau praleidžia šilumą, todėl lengviau išsklaido variklio karštį, išlikdamos atsparios jam.
Tairos grupė pagamino lazerį iš dviejų itrio-aliuminio-galio (YAG) segmentų. Vienas segmentas buvo legiruotas neodimiu, o kitas – chromu. Jie sujungė abu segmentus kartu ir gavo galingą lazerį, kurio diametras yra tik devyni milimetrai, o ilgis – apie vienuolika milimetrų. Kombinuota sistema generuoja du lazerio spindulius, kurie gali uždegti kurą dvejose skirtingose vietose vienu metu. Taip gaunama liepsnos siena, kuri sklinda daug greičiau ir tolygiau nei naudojant vieną lazerio spindulį. Lazeris nėra pakankamai galingas, kad galėtų uždegti „liesą“ kuro mišinį naudodamas vieną impulsą. Tačiau panaudojant kelis aštuonių šimtų pikosekundžių ilgio impulsus, galima perduoti pakankamai energijos kurui uždegti.
Komerciniam automobilių varikliui reikėtų šešiasdešimties hercų dažniu veikiančio lazerio, pažymėjo Taira. Šiuo metu mokslininkai jau išbandė ir dvigubo spindulio lazerius, veikiančius šimto hercų dažniu. Toliau dirbama siekiant sukurti ir trijų spindulių lazerį, kuris užtikrintų žymiai greitesnį bei tolygesnį kuro mišinio degimą. Lazerio degimo sistema, nors ir daug žadanti, šiuo metu nėra įdiegta nė vienoje gamyklinėje transporto priemonėje. Tačiau Tairos grupė dirba su didele degimo žvakių kompanija bei DENSO korporacija, kuri priklauso Toyotos grupei.
