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Robusto y Ultralow-Energy-Umbral ignición de una mezcla magra por un ultrashort-pulsed láser en la filamentación régimen

Mar 25 , 2021

Resumen:

Encendido por láser (LI) Permite la manipulación precisa del tiempo y la ubicación de la ignición y es prometedor para la combustión verde de los motores de automóviles y cohetes y aero-turbinas bajo Lean-Fuel condiciones con mejor emisión eficiencia; Sin embargo, lograr una ignición completamente efectiva y confiable sigue siendo un desafío. Aquí, presentamos la realización de encender un plean / Air Mezcla con a 100% Tasa de éxito por un ultrashort Láser FemtoseCond, que durante mucho tiempo ha sido considerado como una fuente de ignición de combustible inadecuada Nosotros nosotros Demostrar que la energía de encendido mínima puede disminuir al Sub-MJ Nivel Dependiendo del láser Filamentación La formación, y revela que el rendimiento radical temprano de la OH resultante aumenta significativamente a medida que la energía láser alcanza el umbral de encendido, que muestra un límite claro para fallas y el fuego Mecanismos potenciales para UltraShort UltraShort li son los inducidos por la filamentación Efecto de calentamiento seguido de reacciones químicas exotérmicas, en combinación con el efecto de ignición de la línea a lo largo del filamento. Nuestro Resultados allanando el camino hacia Ignición robusta y eficiente de Lean-Fuel Motores por ultraShort-pulsed láseres.



Introducción:

Encendido por láser (LI) es un prometedor electrodo menos Alternativa al ignición electrónica de chispa de Lean-Fuel / Air Mezclas, ofreciendo alta eficiencia térmica con baja dañina Emisiones1. Uno de los métodos LI más adoptados es NanoSecond inducido por láser Encendido de chispa (NS-LISI) 2,3,4,5,6,7, en las cuales se someten a mezclas combustibles Multiphoton Ionización seguida por la avería de la avalancha, lo que resulta en la alta temperatura y plasma de alta presión junto con las ondas de choques. Después Shockwave La expansión, el plasma caliente que consiste en muchos átomos e iones se enfría, y evoluciona al kernel de la llama, finalmente desarrollando combustión completa a través de la ramificación química Reacciones. Sin embargo, inevitable Shot-to-shot Las fluctuaciones energéticas resultantes de las fuentes de luz NS conducen a la naturaleza estocástica del desglose, influyen en las rutas de reacción y la producción de potencial Misfanse2.


Aunque Li no es un concepto nuevo, se considera comúnmente que enciende el encendido Lean-Fuel Mezclas por un ultrashort Femtosegundo (FS) Laser es difícil de realizar, ya que Desglose Avalanche No se puede Ocurre en la escala de tiempo FS, y el FS-Láser-inducido La temperatura del plasma es 1-2 órdenes de magnitud más pequeño que que bombeado por los láseres de NS8,9, ambos disminuyen el plano de combustible Ignitabilidad. De hecho, los investigadores no han logrado encender las mezclas magras usando intenso FS-Láser inducido Sparks de plasma en un enfoque estrecho Esquema10. Alternativamente, se sugirió que un láser FS puede ser una fuente auxiliar para ayudar a la formación de plasma y el control de flujo sucesivo en NS-LISI10, así como para mejorar la velocidad de combustión y la estabilidad de las llamas. Cuando Su tasa de repetición es alta (≥500 Hz) 11,12.


Aquí, presentamos los resultados inesperados de Prueba de Principio Lean-Fuel Combustión con una alta tasa de éxito, utilizando un intenso FS láser. más bien Confiando en un rayo láser FS muy bien enfocado, empleamos un intenso láser FS que se propaga en un metano magro / AIR Mezcla en el auto-canalización El régimen denominó popularmente FS láser filamentation13,14. El equilibrio dinámico entre auto enfoque y plasma Defocusing En el filamento láser permite la generación de varias rango de rayleigh o canales de plasma más largos con la intensidad del láser se sujetan en el ~50-100 Tw cm-2 nivel. Los estudios recientes han revelado que las moléculas de combustible se pueden activar e incluso fragmentadas por la alta intensidad Filamentos láser, produciendo muchas combustiones Intermediates15. En particular, el largo filamento proporciona la posibilidad de "multipunto" ignición a lo largo del filamento, en lo sucesivo mencionado como "Línea" Ignition, que puede mejorar la fiabilidad de la ignición de la magra Meztes7. Además, dentro del filamento del láser FS, aunque la temperatura inicial de las moléculas de gas determinada a través de varias vías de deposición de energía, como multiphoton / túnel Ionización, disociación, Raman La excitación, y la excitación de la colisión16,17,18,19,20,21, es solo ~ 1400 k (ref. 16), el baja temperatura La reacción de oxidación de las moléculas de metano todavía puede ocurrir 22, lo que puede permitir la iniciación de reacciones químicas combustibles


En el presente estudio, demostramos la realización y la robustez de FS LI al irradiar un metano magro / AIR Mezcla con un intenso 40-FS, 800-NM Pulso láser en la filamentación régimen. Nosotros nosotros Revela que la energía del láser de la bomba para la combustión magra puede disminuir a ~1.5 MJ con una deposición de energía de ~25%, lo que implica que se necesita solo SUB-MJ Energía para lograr FS LI. grabando resuelto de tiempo Imágenes de kernel de llama y espectroscopia de emisión óptica (Oes) Spectra en diferentes energías láser de la bomba, mostramos además que el rendimiento radical de OH resultante juega un papel esencial en el metano magro / AIR La combustión, que aumenta dramáticamente a medida que la energía del láser de la bomba alcanza el ignición mínima Energía. Nosotros nosotros Asscribe el ultrashort Los mecanismos de LI al efecto térmico mediante la deposición de energía láser en el filamento, seguido de reacciones químicas de combustión y la robustez a la línea de ignición de la línea.



Ultrashort Ignición láser en diferentes energías:

Con la configuración experimental que se muestra en Fig. 1A (para detalles experimentales, consulte "Métodos"), en Fig. 1B, mostramos la vista lateral grabada experimentalmente Imágenes del laminar Premezcla metano / aire flujo irradiado por los intensos filamentos láser FS en diferentes energías láser de entrada, todas las cuales son más altas que El poder crítico para auto-enfoque23. Se puede ver desde Fig. 1b que cuando La energía del láser de entrada fue 1.2 MJ, a excepción de la palabra inducida por FS-Filamento Fluorescencia a lo largo del filamento, ninguna llama. Podría ser observado es decir, Li fracasó bajo este condición. A medida que la energía láser aumentó a 1.4 MJ, una llama débil sobre el filamento comenzó a aparecer, y a medida que la energía del láser aumentaba aún más, una llama con una emisión óptica fuerte podría ser observado, que borrosa la inducida por filamento fluorescencia. Los resultados anteriores indican claramente que ultraShort Li se puede lograr inequívocamente en la magra / AIR mezcla cuando La energía Laser Energy es > 1.5 MJ, que se estima que es un orden de magnitud inferior que que (varios decenas de mj) en ns-lisi Scheme2,9,24. Además, en el encendido del filamento FS, obtuvimos un límite magro de φ = 0.75 (φ: Relación de equivalencia de combustible a AIR) cuando La energía láser se estableció en 1.8 MJ, que también fue aproximadamente un orden de magnitud más pequeño que que (varios decenas de mj) en ns-lisi para la misma magra LIMITE24. eso debería Se enfatiza que probamos el LI en φ = 0.82 con a 1.8-MJ Energía láser > 1000 veces y, en consecuencia, logró un 100% Tasa de éxito, que muestra la robustez de este enfoque para encender las mezclas magros




Evolución dinámica de la llama Kernel:

A Determine la dinámica del encendido del filamento del láser, mostramos, en Fig. 2, la grabada Vista lateral Imágenes del plano-combustible Flujo bombeado por 1.8-MJ entrada de energía láser con diferente ICCD Retrasos de tiempo en una ventana de tiempo fijo de 50 μs (para detalles experimentales, ver "Métodos"). como se muestra en Fig. 2, la evolución temporal del núcleo de la llama a la llama de propagación se puede observar claramente, en las que se observan fuertes emisiones ópticas del filamento plasmático en la ventana del tiempo de interacción (t = -5 ns), y luego Un kernel de llama débil se forma en el retraso del tiempo de T = 20 μs. Después de la generación, el kernel de llamas se expande verticalmente hacia afuera con el filamento eje. A medida que aumenta el retraso del tiempo, los frentes superiores e inferiores de los frentes del kernel de llama se propagan a lo largo de las direcciones opuestas, y el kernel de llama evoluciona a una forma esférica en T ~1 milisegundo. Cuando El tiempo de retardo aumenta, el inducido por láser La llama aparece claramente, lo que evoluciona más a un tamaño grande. Además, a medida que se desarrolla la combustión, los frentes superiores e inferiores de la llama se comportan de manera diferente, teniendo estructuras en forma de cono y casi planas, respectivamente, similares a aquellos en ns-lisi25.

Además, medimos Resuelto de tiempo Oes Spectra para investigar los mecanismos de formación de llamas, como se muestra en Fig. 3. Para El retardo de la puerta de T = -5 NS, aparecen múltiples bandas espectrales en la Oes Spectrum, que se asignan a los radicales libres de fluorescentes de CH (431.4 NM: A2Δ-X2π; 314.5 NM: C2Σ-X2π) y OH (289.2 y 308.9 NM: A2σ + -x2π +), y las moléculas de nitrógeno neutro e iónico de N2 (C3ПU-B3ПG) y N2 + (B2ΣU + -X2ΣG +) 26,27. Cuando El retraso del tiempo aumenta, excepto los radicales OH, las intensidades de fluorescencia de otras especies disminuyen dramáticamente, porque estos Las especies son todas cortas vividas, generalmente aproximadamente unas cuantas decenas de nanosegundos o más cortos en un láser Filent28. La intensidad de la fluorescencia de OH disminuye lentamente en una escala de tiempo de microsegundo, lo que implica que puede resultar de múltiples procesos físicos, incluida la competencia entre la producción y el consumo de los radicales OH, así como la expansión del kernel de llamas después de la onda de choque. Cuando El tiempo de retardo excede de 1 ms, el de alta intensidad Emisiones de fluorescencia de OH y CH Radicales en ~ 308.9 y 431.4 NM reaparece en la Oes Espectros debido a la propagación de llamas29, lo que indica que el metano / AIR Llama aparece con un tiempo de retardo de ignición de ~ 1 milisegundo.



Deposición de energía Medición:

A Explore el mecanismo responsable de la inducida por filamentos Encendido, también investigamos la deposición de energía de la filamentación pulso en el plano de combustible metano / aire Flujo por la configuración experimental que se muestra en Fig. 4A (ver "Métodos" para Detalles). figura 4b Muestra la dependencia del acoplado a plasma Energía (CPE) En la energía del láser de entrada en diferentes repeticiones láser Tarifas. Se puede ver en Fig. 4b que el CPE aumenta linealmente a medida que aumenta la energía del láser de entrada de 0.4 a 2.0 MJ, que se atribuye a la dependencia lineal del volumen de plasma de filamento en el láser de entrada Energy30. Como la energía del láser incidente está en el rango de 0.1-0.4 MJ, el CPE es muy bajo e incluso alcanza cero debido a la reducción de la generación de plasma eficiencia. También se puede ver desde Fig. 4b que todas las eficiencias de deposición de energía medidas son <30%, que son mucho más bajas que esos (40-60%) de ns-lisi25. Claramente, la energía de encendido mínima puede disminuir al Sub-MJ nivel (<0.4 MJ), que es aproximadamente un orden de magnitud más pequeño que Los valores reportados en NS-LISI6. Además, se encuentra que el CPE Las eficiencias son casi las mismas en el rango para diferentes tasas de repetición del láser, lo que indica que la transferencia de energía desde el pulso láser al plasma es insensible a la ignición y la combustión procesos.


Oh fluorescencia radical en la época temprana Etapa:

A Determinar el papel de los radicales OH en UltraShort Li, también medimos los Oes Espectros de los radicales OH dentro de una ventana de tiempo temprano (ΔT = 100 μs, y t = 50 ns) con diferentes energías láser de entrada, como se muestra en Fig. 5A. A medida que la energía láser varía de 1.2 a 2.0 MJ, la banda espectral de los radicales OH en ~ 308.9 NM se puede observar claramente para todos los casos, pero su Las intensidades de fluorescencia son significativamente diferentes. A Ver claramente la variación en la fluorescencia de OH, Fig. 5b Parcelas la intensidad de fluorescencia OH integrada desde 306.5 a 312.4 NM en función del láser de entrada Energía. Se puede observar desde Fig. 5b que la intensidad de la señal OH sigue siendo casi la misma cuando La energía láser es <1.4 MJ, pero aumenta dramáticamente y luego se satura a medida que aumenta la energía láser de 1.4 a 2.0 MJ. La tendencia de variación de la fluorescencia OH medida en los primeros tiempos con diferentes energías está de acuerdo con los resultados de encendido que se muestran en Fig. 1b, e indica evidencia directa de la correlación entre la densidad del número radical OH y el Último Li. Ese es, cuando La densidad del número de radicales OH alcanza un cierto nivel, una llama Forms31. Por lo tanto, los radicales OH pueden servir como un indicador del filamento láser ignición.



Discusión:

Basado en mediciones anteriores en Air32, para un enfocado TI: SAPFIRE rayo láser (800 NM y 40 FS) Con una longitud focal de 20 cm, la densidad de plasma se estima en ~ 1017-1018 cm-3. El poder crítico, PCR, para KERR auto-enfoque en el aire es ~10 GW (Ref. 23), y la intensidad láser apócrita es ~ 1014 w cm-2 (Ref. 33). 33). Porque La fracción de volumen de las moléculas de aire en la mezcla es ~ 92% y la primera energía de ionización (12.6 EV) de las moléculas de metano se encuentran entre las moléculas de oxígeno (12.1 EV) y moléculas de nitrógeno (15.6 EV) 34, podemos adoptar, estos Valores para entender los resultados experimentales actuales. Como resultado, cuando La energía láser varía de 1.2 a 2.0 MJ, la potencia máxima del pulso del láser incidente aumenta de ~3 PCR a 5 PCR, como se muestra en Figs. 4b y 5b.


El filamento láser generado en la mezcla establece una densidad de alta densidad Piscina de plasma, que consiste en abundantes ionizados o neutralmente Productos fragmentados de mezclas combustibles tales como N2 +, O2-, y O3, así como fragmentos de hidrocarburos. En particular, se sabe que en alta densidad metano / aire Plasma, una gran cantidad de átomos de oxígeno se pueden formar por las siguientes Reacciones 19:


N ++ O2 → No ++ O

(1)

N + o2 → no + o

(2)

E + O2 → O + O

(3)

Debido a Raman La excitación, la ionización y la fragmentación, parte de la energía láser se acopla al plasma, calentando la mezcla combustible y dando como resultado una temperatura de gas de ~ 1400 K, según se informó en Air16. En esta región de temperatura, el Sensible a la temperatura Abstracción de hidrógeno de la colisión de CH4 Las moléculas con fragmentos de oxígeno atómicos se vuelven eficientes (Ref. 22), produciendo radicales OH a través de la reacción


CH4 + O → CH3 + OH

(4)

asociando con la formación radical de OH, Ramificación de cadena Las reacciones de oxidación comienzan, y finalmente, se produce la combustión, lo que resulta en una llama. eso debería Tenga en cuenta que hay otra rutina de reacción que produce radicales OH oh por metano Pyrolysis22. Sin embargo, este camino no es eficiente hasta La temperatura del gas supera 2500 K. Por lo tanto, la contribución de la descomposición térmica a la producción de radicales OH en UltraShort Li puede ser descuidado.


Nosotros nosotros También considere los posibles mecanismos responsables de las fallas y los resultados de incendios que se muestran en Fig. 1b. Desde Bajo todas las condiciones de la energía láser, se forma un filamento láser, la intensidad del láser y, por lo tanto, la temperatura inicial se considera la misma para todos los casos. Sin embargo, a medida que aumenta la energía del láser de entrada, aunque La intensidad del láser en el filamento se fija, la densidad de plasma y el volumen aún pueden aumentar 32, produciendo una densidad de número radical más grande en el proceso, como se muestra en Fig. 5b. Radicales adicionales de OH promover Cadena-Propagación Reacciones, liberando más energía térmica y acelerando las reacciones de oxidación de CH4 Moléculas. Además, la extensión de la longitud del filamento en el caso de la alta energía del láser de entrada mejora el efecto de ignición de la línea, a favor de la combustión desarrollo. Sin embargo, eso debería También se debe tener en cuenta que el encendido exitoso por el filamento del láser requiere un equilibrio adecuado entre la densidad de plasma y la longitud del filamento, que son sensibles a las condiciones de enfoque externo32,33.


La oleada en la intensidad de fluorescencia de Oh del fallo de fuego para disparar en el filamento inducido por filamentos El encendido es sorprendentemente diferente de eso en NS-Lisi, donde La intensidad de la señal aumenta linealmente a medida que aumenta la energía láser alrededor del umbral25. El aumento significativo en los radicales OH alrededor del umbral de ignición en el caso del filamento muestra un límite claro entre los eventos de ignición de éxito y fallido. Sin embargo, en el NS-LISI El esquema, los radicales OH provienen principalmente de la recombinación atómica en el proceso de enfriamiento de plasma caliente generado por Desglose. La naturaleza estocástica de la ruptura alrededor del umbral afecta la ramificación de la cadena, lo que lleva a posibles ignición Fallo29. Desde No hay desglose en ultrashort LI, el resultado de la ignición puede ser fácilmente predeterminado.


En resumen, demostramos que la ignición de un magro / AIR La mezcla se puede lograr inequívocamente con un sub-MJ extremadamente bajo energía de ignición mínima y ultrahigh Tasa de éxito por un ultrashort Láser pulsado FS que se propaga en la filamentación régimen. por una serie de efectos no lineales, tales como Raman excitación, campo fuerte Ionización y disociación molecular, la de alta intensidad Filamento Laser establece A alta densidad Piscina de radicales gratuitos con una temperatura de gas de ~ 1400 k en la mezcla combustible Muchos radicales OH producidos en el alta temperatura La piscina radical es esencial para UltraShort Li. La robustez de este esquema de ignición se deriva de la propiedad única del filamento del láser, es decir, el alto nivel sostenido de densidad de plasma óptico dentro del núcleo de filamento extendido longitudinalmente, dando lugar a la ignición simultánea a lo largo del filamento línea. El presente enfoque, en el que ultrashort li de lean-combustible Las mezclas funcionan en un relativamente a baja temperatura y centímetro-long Filamento de plasma, proporciona posibilidades de investigación ultrarrápido físico / químico Procesos en el FS / PS Timescale despues del láser-combustible interacción, y tiene aplicabilidad general a condiciones complejas de combustión en una variedad de motores que no están en estequiométricos ratios35.

Métodos:

Nosotros nosotros Experimentos realizados con polarizado linealmente 800 NM y 40-FS Pulsos láser, que se produjeron a partir de A TI: zafiro Sistema láser FEMTOSECOND (Espectros Física, Spitfire ACE). La tasa de repetición osciló entre 4 y 1 kHz, y la energía de salida fue ~ 2.5 MJ, que podría ser atenuado por una media onda Placa y a polarizer. El pulso láser se centró en una lente de sílice fusionada (F = 20 cm) Para generar un solo filamento ubicado 10 mm sobre A McKenna quemador, cuyo La configuración se puede encontrar en ref. 28. La longitud del filamento se midió para ser ~ 0.8 cm para una energía de la láser de entrada de 2.0 MJ. La velocidad de la premezcla metano / aire El gas se fijó a 1 M S-1 con un número de Reynolds 670 para que el flujo de gas fue laminar. El premezclado El flujo laminar se colocó en una magra de combustible Condición con una relación de equivalencia de φ = 0.82 ± 0.02 para los experimentos de ignición posteriores, en los que las llamas que no eran autosuficientes se estudiaron.


Para Las mediciones espectrales y de imágenes, recogimos las radiaciones ópticas emitidas desde el filamento o la llama encendida en la dirección perpendicular a la propagación del láser por una lente de sílice fusionada (F = 6 cm), usando A 7: 1 Telescopio de imágenes Esquema. La luz recolectada se enfocó luego en la hendidura de entrada de un espectrómetro (Andor Shamrock SR-750i) Equipado con un ICCD Cámara (Andor Istar). Para La medición espectral, la anchura de la hendidura del espectrómetro se estableció a 200 μm, y la luz se dispersó por 500 líneas mm-1 rejilla y luego capturada por la ICCD. La tasa de repetición del láser se estableció en 100 Hz. Para La medición de imágenes, el ancho de la hendidura se ajustó a 2.5 mm, y la rejilla se cambió a giro cero para que las imágenes puedan ser directamente tomado por la ICCD. La tasa de repetición láser se estableció en 4 Hz.


Para Monitoreo de los encendidos de filamentos láser en diferentes energías que se muestran en Fig. 1b, el ICCD La puerta se abrió con una ventana de tiempo de ΔT = 20 ms y un retraso de tiempo de T = -5 ns. Cuando Medición de la dinámica del kernel de llama y resuelto de tiempo Espectros que se muestran en Figs. 2 y 3, la ventana de la puerta de la ICCD se puso a ser Δt = 50 μs, y el retardo de la puerta variado de T = -5 ns a t = 6 ms. Tenga en cuenta que la hora de llegada del pulso láser en la zona de interacción es T = 0 ns. Cuando Grabando el Oes Spectra en una ventana de tiempo temprano, como se muestra en Fig. 5, el ICCD se abrió por un período fijo de ΔT = 100 μs con un retraso de tiempo de T = 50 ns. eso debería ser enfatizado que sólo foto FS LI se logró inequívocamente, pero se acumularon 20 y 200 eventos de ignición independientes para cada imagen y espectro, respectivamente, para aumentar su señal-to-ruido índice.


En la medición de deposición de energía que se muestra en Fig. 4, la energía láser se midió mediante un medidor de potencia láser, que se colocó en las posiciones de 20 cm de distancia del quemador antes y después del filamento. Las tasas de repetición laser fueron 50, 100 y 200 Hz. La energía depositada en el plasma se calculó restando la energía transmitida (medida después del filamento) Del láser incidente Energía.



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