一种2μm波段激光点火装置及点火方法制造方法及图纸

一种2μm波段激光点火装置及点火方法，属于激光技术领域。本发明专利技术点火方法分为两个阶段，第一个阶段通过自助搭建了波段的Ho:YAG激光器，对燃料进行预加热；第二个阶段再用稳定高能量的1064nm激光器进行点火。预热装置包括加热部分和探测部分，其中探测部分包括：使用高亮度的LED灯，凸透镜，凹透镜，光阑，平面镜搭建成像系统，使其通过实验燃料密室，使用高速CMOS，用纹影法记录预热阶段水气的热度分布情况，使用红外线测温仪监测燃料的温度。加热部分先使用Ho: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预热，达到监测温度后，再通过1064nm的高功率Nd:YAG进行点火，大大提高点火成功率的同时也减小了最小点火能量，实现贫燃状态下发动机的点火。

A 2-micron Laser Ignition Device and Ignition Method

The invention relates to a 2-micron band laser ignition device and a ignition method, belonging to the laser technology field. The ignition method of the invention is divided into two stages. In the first stage, a band Ho:YAG laser is built by self-help to pre-heat the fuel, and in the second stage, a stable high-energy 1064nm laser is used to ignite. The preheating device consists of heating part and detecting part. The detecting part includes: using high brightness LED lamp, convex lens, concave lens, diaphragm and plane mirror to build an imaging system to make it pass through the experimental fuel chamber, using high-speed CMOS, using schlieren method to record the heat distribution of water and gas in the preheating stage, and using infrared thermometer to monitor the temperature of fuel. In the heating part, Ho:YAG laser is used to focus two laser beams at the output through concave lens and convex lens, preheat the fuel at the waist of the beam, and then ignite the fuel through 1064nm high-power Nd:YAG, which greatly improves the success rate of ignition and reduces the minimum ignition energy, thus realizing the ignition of engine in lean-burn state.

【技术实现步骤摘要】
一种2μm波段激光点火装置及点火方法
本专利技术属于激光
，具体涉及一种2μm波段激光点火装置及点火方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术提供了一种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。本专利技术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。本专利技术的有益效果在于：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专利技术做更详细地描述。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，对预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种2μm波段激光点火装置，其特征在于，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CMOS(8)、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2μm HO：YAG激光器(9)和会聚激光束(10)；2μmHO：YAG激光器(9)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CMOS(8)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CMOS(8)；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。...

【技术特征摘要】
1.一种2μm波段激光点火装置，其特征在于，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CMOS(8)、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：YAG激光器(9)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CMOS(8)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CMOS(8)；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1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立，杨乐乐，张子建，杨晓涛，谌绍天，贺彦博，刘晓楠，姜子印，穆彦龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23