Laserontsteking (LI) is een veelbelovend alternatief zonder elektroden voor elektronische vonkontsteking van arme brandstof/luchtmengsels, biedt een hoog thermisch rendement met lage schadelijke emissies. Een van de meest gebruikte LI-methoden is nanoseconde laser-geïnduceerde vonkontsteking (ns-LISI), waarin brandbare mengsels multifoton-ionisatie ondergaan gevolgd door lawine-afbraak, resulterend in plasma onder hoge temperatuur en onder hoge druk, samen met schokgolven. Echter, onvermijdelijke shot-to-shot energiefluctuaties als gevolg van ns lichtbronnen leiden tot de stochastische aard van de storing, reactieroutes beïnvloeden en mogelijke ontstekingsfouten veroorzaken.

Hoewel LI geen nieuw concept is, algemeen wordt aangenomen dat het ontsteken van magere brandstofmengsels door een ultrakorte femtoseconde (fs) laser moeilijk te realiseren is, aangezien lawineafbraak niet kan plaatsvinden op de fs-tijdschaal, en de fs-laser-geïnduceerde plasmatemperatuur is 1-2 ordes van grootte kleiner dan die gepompt door ns-lasers, die beide verminderen de ontvlambaarheid van magere brandstof. Inderdaad, onderzoekers zijn er tot nu toe niet in geslaagd om magere mengsels te ontsteken met behulp van intense fs-gepulseerde lasers.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, geleid door professor Huailiang Xu van State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College van elektronische wetenschappen en techniek, Jilin-universiteit, China, en professor Ruxin Li van State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Shanghai Instituut voor Optica en Fijne Mechanica, Chinese Wetenschapsacademie, hebben de succesvolle realisatie en robuustheid van fs-LI aangetoond door een mager methaan / luchtmengsel te bestralen met een intense fs-laserpuls in het filamentatieregime. Het is gebleken dat de pomplaserenergie voor magere verbranding kan afnemen tot ∼1,5 mJ met een energiedepositie van ∼25%, wat inhoudt dat er slechts sub-mJ energie nodig is om fs-LI te bereiken. Ze testten de laserontsteking met een laserenergie van 1,8 mJ meer dan 1000 keer en behaalden daardoor een succespercentage van 100%. waaruit blijkt hoe robuust deze aanpak is voor het ontsteken van arme mengsels. De huidige benadering is algemeen toepasbaar op de complexe verbrandingsomstandigheden in een verscheidenheid aan motoren die niet in stoichiometrische verhoudingen zijn.

Het is aangetoond dat het fs-LI-schema twee grote voordelen heeft in vergelijking met het ns-LISI-schema:(i) ultralage ontstekingsenergie, wat ongeveer een orde van grootte kleiner is dan die in het ns-LISI-schema, en (ii) 100% slagingspercentage van ontsteking. Het fs-LI-mechanisme wordt toegeschreven aan het thermische effect door afzetting van laserenergie in de gloeidraad, gevolgd door chemische verbrandingsreacties en de robuustheid van het lijnontstekingseffect, die in detail wordt beschreven zoals hieronder:

"Het dynamische evenwicht tussen zelffocussering en plasma-defocussering in het laserfilament maakt het mogelijk om meerdere Rayleigh-range of langere plasmakanalen te genereren met de laserintensiteit geklemd op de ∼50-100 TW/cm ² peil. Brandstofmoleculen kunnen worden geactiveerd en zelfs gefragmenteerd door laserfilamenten met hoge intensiteit, produceren veel verbrandingstussenproducten. Vooral, de lange gloeidraad biedt de mogelijkheid tot 'multipoint' ontsteking langs de gloeidraad, aangeduid als 'lijn' ontsteking, wat kan helpen de ontstekingsbetrouwbaarheid van arme mengsels te verbeteren."

"In aanvulling, binnen de fs-lasergloeidraad, hoewel de begintemperatuur van gasmoleculen wordt bepaald via verschillende energiedepositieroutes, zoals multifoton/tunnelionisatie, dissociatie, Raman opwinding, en botsingsexcitatie is slechts ongeveer 1400 K, de oxidatiereactie bij lage temperatuur van methaanmoleculen kan nog steeds plaatsvinden, die het initiëren van brandbare chemische reacties mogelijk maakt, " voegden ze eraan toe.

"De huidige aanpak, waarin de ultrakorte laserontsteking van arme brandstofmengsels werkt in een relatief lage temperatuur en centimeter lang plasmafilament, is niet alleen algemeen toepasbaar op complexe verbrandingsomstandigheden in een verscheidenheid aan motoren die niet in stoichiometrische verhoudingen zijn, maar biedt mogelijkheden voor het onderzoeken van ultrasnelle fysische/chemische processen op de fs/ps-tijdschaal na de laser-brandstof-interactie, ’ concluderen de wetenschappers.