一种2μm波段激光点火装置及点火方法与流程

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种2μm波段激光点火装置及点火方法。

背景技术：

燃烧是人类生产和生活所需的能量和动力的重要来源。随着工业化进程的加速，煤、石油、天然气等不可再生能源的可用储量急剧减少，而伴随燃烧产生的温室气体、氮氧化物、颗粒物等副产品也引起了温室效应、臭氧空洞、酸雨等严重的环境问题，对地球环境和人类生活造成了严重的影响。因此，如何提高燃烧系统的燃烧效率、减少污染物的排放成为当今燃烧学界的一个重要课题。

研究表明，贫燃反应时温度较低，可有效减少氮氧化物的排放，同时又可大大节省燃料、提高燃烧效率，是解决当前燃烧系统面临的能源和环境问题的一种有效途径。但贫燃反应时，由于燃料相对不足，燃烧系统熄火和点火失败的概率也相应增大，对燃烧系统的稳定性造成了严重的影响。如何保证贫燃系统的点火可靠性，对目前天然气发动机和内燃机采用的电火花塞点火系统提出了严峻的考验。为了提高点火成功率，需要大大提高电火花塞电极间的放电电压。而高电压工作又加速了电极的腐蚀，导致电极间距增大，这又需要进一步提高放电电压。这种恶性循环大大缩短了电火花塞的使用寿命。因此，研究新型的点火方式，实现贫燃系统的稳定可靠点火，成为当前先进发动机领域的研究热点。

激光诱导等离子体点火即lipi，这种新型的点火方式就是在传统点火方式面临技术发展瓶颈的背景下发展起来的。它是将脉冲激光聚焦到混合燃气中，经过多光子电离、雪崩电离和逆轫致辐射等过程诱导产生等离子体，通过等离子体引起的热效应和燃烧化学反应效应，诱导产生燃烧活性基团，形成初始火核，然后通过初始火核的传播实现混合燃气的点火。lipi的上述技术优势使之有望突破贫燃燃烧系统、火箭发动机等燃烧系统面临的点火技术瓶颈，推动相关领域的发展，因此得到了研究人员的广泛关注。美国国家航空航天局路易斯研究中心nasalewisresearchcenter的liou采用波长1064nm的nd:yag激光对气氧/气氢gox/gh、气氧/气甲烷gox/gch、气氧/煤油gox/rp-1、气氧/一氧化碳gox/gco四种推进剂进行了lipi实验，获得了推进剂当量比、燃烧室压力、激光脉冲能量和重复频率等实验条件对lipi的影响，指出lipi的电磁干扰比电火花塞点火系统低一个数量级。美国nasa马歇尔太空飞行中心marshallspaceflightcenter与洛斯阿拉莫斯国家实验室losalamosnationallaboratory合作，开展了双脉冲组合lipi技术的研究工作，采用两台波长1064nm的nd:yag激光器对gox/gh2、gox/ch4和gox/rp-1等多种火箭推进剂进行了lipi实验。研究发现，利用双脉冲组合可以有效降低对激光点火总能量的需求。日本国家宇航实验室nationalaerospacelaboratoryofjapan采用激光烧蚀不锈钢等材料，在模型火箭发动机中对两股互击喷注形式的gox/gh2和gox/gch4推进剂进行了lipi研究。德国航空太空局germanaerospacecenter，dlr的oschwald课题组采用高速摄影技术在小型火箭发动机模拟燃烧器上对lox/gh2和gox/gch4推进剂进行了lipi实验，获得了推进剂喷注和火焰的瞬态过程，并进行了真空条件下的lipi实验，模拟发动机高空点火的工况。

综上分析，人们已经在多个发动机领域对lipi的工程应用开展了验证性实验工作。但需要注意的是，lipi对点火激光器脉冲能量的需求仍然是制约其工程应用的一个重要因素。在这些验证性实验中，lipi实现成功点火所需的激光脉冲能量一般为几十mj，有些甚至为100mj以上。这无疑会对点火激光系统的体积、功耗等造成沉重的负担，制约lipi的工程应用。尽管近期小型化激光点火器的研究有所进展，但仍需对lipi的工作体制做进一步的探索，以降低对点火激光系统的需求，如激光烧蚀等离子体点火和双脉冲组合点火等。

技术实现要素：

本发明的目的是为了实现更高效率点火，使燃烧更充分，在贫燃范围实现点火，降低污染物的排放的同时降低点火光源能量需求，推动工程应用上的发展，为此，本发明提供了一种2μm波段激光点火装置及点火方法，利用水在2μm波段吸收性强的特点，可进行预加热，再进行点火。

本发明的目的是这样实现的：

一种2μm波段激光点火装置，包括：激光预热装置和激光点火装置，激光预热装置分为激光预热装置探测部分和激光预热装置加热部分；具体包括光源1、透镜2、凸透镜3、光阑4、平面镜5、刀口6、气体单元7、高速cmos8、2μmho：yag激光器9、会聚激光束10、燃料喷口11、红外热线仪12、光谱仪和功率计13、控制阀14、输气管15、流量计16、真空泵17、水气18、甲烷19、燃料20；所述激光预热装置加热部分包括2μmho：yag激光器9和会聚激光束10；2μmho：yag9产生2μm波段的高能量脉冲通过会聚激光束10送至气体单元7内；所述激光预热装置探测部分包括纹影装置、红外热线仪12和光谱仪和功率计13；纹影装置是由光源1依次经过透镜2、凸透镜3、光阑4、平面镜5、刀口6、气体单元7和高速cmos8组成的成像系统；纹影装置的光源1产生的光依次经过透镜2、凸透镜3、光阑4后通过平面镜5进入气体单元7，经气体单元7的出射光再通过平面镜反射至刀口6，再通过一凸透镜平行射入高速cmos8；红外热线仪12和光谱仪和功率计13位于气体单元7的周围；所述激光点火装置是1064nm的nd:yag激光器系统，位于混合燃料气室口周围，燃料喷口11位于气体单元7周围。

所述混合燃料气室包括控制阀14、输气管15、流量计16、真空泵17、水气18、甲烷19、燃料20，输气管15一端通过流量计16后分别与真空泵17、水气18、甲烷19、燃料20连通；输气管15另一端通过控制阀14连接到气体单元7上。

所述2μmho：yag激光器9是用自主设计的固体二维材料的作为调q晶体，具有高脉冲能量。

混合燃料气室通过控制阀14控制，抽真空后再进行预混合。

所述红外热线仪12采用多点采温的方式记录燃烧边界的温度状况。

所述纹影装置的光源是高亮度的led灯，光路上所成的像经透镜到达刀口上再通过高速cmos成像。

一种2μm波段激光点火方法，首先完成预混合用2μm激光器进行预热，探测系统进行探测，达到点火温度后，再用功率更高的1064nm激光器进行点火。

本发明的有益效果在于：

通过预燃装置解决了目前存在的激光点火失败的问题，提高了点火成功率。同时也降低了对点火激光能量的高要求，减少了不必要的能量浪费，增加了点火的安全性。

附图说明

图1为预热系统图；

图2为混合气室图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述。

一种2μm波段激光点火装置及点火方法，包括：激光预热装置和激光点火装置，预热装置.分为探测部分和加热部分。

预热和点火部分用设置的光路对激光进行聚焦，使其到达测试密室。

探测部分包含纹影装置和红外测温装置。

所述的预热装置中的探测部分，使用纹影法可对水吸收产生的温度情况进行记录，包含的元件有高亮度的led灯，凸透镜，凹透镜，光阑，高速cmos。

所述的预热装置中的探测部分，红外测温部分使用非接触式的红外线测温仪，对预热系统进行温度监测。

所述的预热装置中的加热部分使用的是ho:yag激光器，产生2μm波段的高能量脉冲，有强吸收的燃料中的水气产生高温，对燃料进行预加热。

所述的点火装置，预热完成后使用高能量的nd:yag激光器在输出端通过凹透镜和凸透镜聚焦两束激光，在束腰处对燃料进行点火。

掺钬的ho:yag激光器，可产生2μm波段的激光，激光预先经过光学系统进行双脉冲的聚焦，再进入到燃料气室。为了监测燃料燃烧情况，我们用纹影法实现火焰的内部的光学测量。高亮度的led灯作为光源，通过凸透镜和光阑，再用平面镜反射通过燃料气室，出来之后的光束再经过透镜组进入到高速cmos中，cmos可以记录燃烧界面的热量分布状态。外部装置有红外线测温器，可对预热系统进行多点探测，达到预热温度后进行点火。点火装置是1064nm的nd:yag激光器系统，通过聚焦在混合燃料气室口一段距离进行点火，燃烧情况依然可通过上述监控系统进行测量。

本发明还包括这样一些特征：

1.实验所用的2um激光器是用自主设计的固体二维材料的作为调q晶体，具有很高的脉冲能量。

2.燃料气室预混合装置通过气阀控制，抽真空后再进行预混合。

3.燃料气室预先进行混合，包括一定体积分数的水和空气和甲烷的混合燃料。

4.预热系统的温度采用多点采温的方式，可得到几个燃烧边界的温度状况。从而得到温度的分布情况。

5.所用的纹影装置的光是高亮度的led灯，光路上所成的像经透镜到达刀口上再通过高速cmos成像。

6.1064nm的激光器具有很高的脉冲能量，纹影装置可以记录点火瞬间的情况，可以对点火成功进行判断。

7.激光器的输出功率要预先通过功率计和示波器，光谱仪进行测量，对分析研究激光点火机制提供很大的作用。

如图1所示，预热系统由预热部分和探测部分组成，预热部分用的是2μmho：yag激光器，经过透镜聚焦后在焦点处对预混燃料进行预热，出射后的光经过功率计对其功率进行检测，计算预热后激光的剩余功率为研究点火机理提供数据、通过连接光谱仪可探测得到激光光谱和物质的吸收光谱，对研究当量比对点火成功的因素提供数据。探测部分使用一套纹影系统，高亮度的led光源经过透镜聚焦，再用平面镜使其透过燃料气室，记录点火过程中燃料燃烧的过程，出来的光经过透镜聚焦到刀口上，用高速的cmos进行曝光后，可得到燃烧反应过程每一帧的图像信息。

如图2所示的是预混合燃气的过程，气室气体管用多个气阀控制，首先用真空泵抽气，保证预混合气室处于真空状态，然后根据理论计算进行气体的配比，用流量计控制甲烷和空气的比例。可控制的实现不同当量比下激光点火的研究，这对于lipi影响点火机理因素研究提供数据，根据水的谱线吸收特性，再参加一定百分比的水，整个预混合过程结束。

本发明在使用上，首先完成预混合用2μm激光器进行预热，探测系统进行探测，达到可点火温度后，再用功率相对较高的1064nm激光器进行点火，整个系统可对于研究激光功率，最小点火能量及其点火成功中当量比和活性基团浓度之间的关系，对于研究lipi机理及其工程上的应用有很大的价值。