[发明专利]采用双模式激光气体击穿方式下的点火装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于先进激光应用技术领域，具体涉及一种激光点火装置及方法，特别涉及一种采用连续、脉冲双模式激光，以气体击穿方式产生等离子火花，从而进行点火的装置及方法。

背景技术

激光点火装置是一种用于发动机内部点火的装置，主要涉及两种点火方式，即气体击穿点火方式与靶部击穿点火方式。其中，气体击穿点火方式的工作原理是使高峰值功率的脉冲激光输入到发动机的燃烧室内，当激光功率密度超过燃烧室内燃料气体混合物的击穿阈值时，在燃烧室内产生等离子火花，等离子火花按与传统电火花类似的点火方式将燃料空气混合物迅速点燃。作为提高发动机效率的装置，使用激光对燃烧室内的燃料空气混合物点火的激光点火装置备受瞩目。相比传统的电火花点火，气体击穿式激光点火与其主要区别在于：第一，激光点火火花可以自由地置于燃烧室的深处，进而具备更好的点燃条件，提高燃料的燃烧速度与效率；传统的电火花点火，燃料空气混合物直接在燃烧室壁附近被点燃，点火范围小，燃烧面较窄，燃烧速度与效率受到限制。第二，激光点火为非接触式点火，传统电火花塞点火为接触式点火，受燃烧室高温以及燃料影响，因此激光点火装置相比传统使用电火花塞点火的装置具有更长的使用寿命。第三，激光产生的等离子火花的能量可以通过提高激光功率而上升，不易产生点火装置的摩损。但在传统电火花点火的情况下，会导致电极的摩损。第四，从发动机工作的一个循环到另一个循环之间喷出燃料的几何形状与燃料空气混合物的范围会发生变动，对于传统电火花点火来说，会导致点火情况发生改变，点火不可靠，但对于气体击穿式激光点火来说，无明显影响。

尽管气体击穿式激光点火相比传统电火花点火具有更大的优势，但是现有的激光点火方案及装置存在着多种问题。具体表现在：第一，所需用于击穿燃料空气混合物的脉冲激光的功率密度极高；第二，激光发射端的输入光学件易在运行时受到高能激光的影响；第三，对于多个激光束叠加在一点进行点火的情况，相交点位置的调整与脉冲时间上的级联难度较大；第四，在燃料输入与点火之间，不能促使燃料与空气更充分的混合，不能实现二者接触面积的增加与燃烧效率的提高。

发明内容

针对现有气体击穿式激光点火装置及方法所存在的问题，本发明提供了一种有效的解决方案。通过采用连续、脉冲双模式激光点火装置及方法，解决上述问题。

本发明提供一种采用连续、脉冲双模式激光气体击穿方式下点火的装置及方法。

本发明的主要内容是采用连续、脉冲双模式激光对发动机进行气体击穿方式的点火。首先，采用连续激光对燃料空气混合物进行预热，同时在燃料空气混合物中产生极大的温度梯度，引起混合物发生对流，进而实现燃料空气的充分混合，增大二者接触面积；其次，使用脉冲激光实现对燃料空气混合物的击穿，产生等离子火花，实现发动机的点火。由于连续激光的预热与促使燃料空气充分混合的作用，因此：第一，对脉冲激光器的激光输出功率的要求下降，可以使用光束质量更为优秀的激光源；第二，脉冲激光的输出功率降低，对光学元件的影响降低，有助于更可靠的完成点火工作；第三，燃料与空气的充分混合有助于燃烧面积的增加与燃料燃烧效率的提高。

本发明还提供一种采用连续、脉冲双模式激光气体击穿方式下点火的装置，它主要包括连续激光发射端、脉冲激光发射端、燃料喷射装置、汽缸盖、燃烧室、活塞等。脉冲激光发射端、连续激光发射端、燃料喷射装置均集成在汽缸盖的壳体上。在激光发射端内部，将激光送入发动机燃烧室内的输入光学系统由准直聚焦透镜系统以及燃烧室导入窗口构成。其中，该透镜系统可通过控制装置实现激光焦点位置的调整；该导入窗口构成了激光进入燃烧室内的最后一个光学元件，且激光发射端不伸入燃烧室内。本装置的核心部分在于引入了连续激光发射端。连续激光发射端所发射的连续激光起到对燃料空气混合物预热的作用。不仅可以有效降低产生等离子火花的脉冲激光的功率阈值，缩短产生等离子火花的时间，还可以在燃料空气混合物内部产生极大的温度梯度，引起对流，促使燃料空气充分混合，以达到增加燃料空气接触面积、更为充分燃烧的目的，进而有效提高发动机点火速度与燃烧效率。