a Schéma de principe de l'allumage du filament laser ultracourt d'un flux de mélange méthane/air pauvre prémélangé. b Images latérales du flux de mélange méthane/air irradié par un filament laser fs intense à différentes énergies laser incidentes. Crédits :Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, et Ruxin Li
L'allumage laser (LI) est une alternative prometteuse sans électrode à l'allumage électronique par étincelle des mélanges pauvres de carburant/air, offrant une efficacité thermique élevée avec de faibles émissions nocives. L'une des méthodes LI les plus largement adoptées est l'allumage par étincelle induite par laser nanoseconde (ns-LISI), dans lequel les mélanges combustibles subissent une ionisation multiphotonique suivie d'un claquage par avalanche, résultant en un plasma à haute température et haute pression ainsi que des ondes de choc. Cependant, les inévitables fluctuations d'énergie d'un coup à l'autre résultant des sources lumineuses ns conduisent à la nature stochastique du claquage, influençant les voies de réaction et produisant des ratés d'allumage potentiels.
Bien que LI ne soit pas un nouveau concept, il est communément admis que l'allumage de mélanges pauvres en carburant par un laser ultracourt femtoseconde (fs) est difficile à réaliser car le claquage par avalanche ne peut pas se produire sur l'échelle de temps fs, et la température du plasma induite par le laser fs est inférieure de 1 à 2 ordres de grandeur à celle pompée par les lasers ns, les deux diminuent l'allumabilité du carburant pauvre. En effet, les chercheurs n'ont jusqu'à présent pas réussi à enflammer des mélanges maigres à l'aide de lasers intenses à impulsions fs.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Huailiang Xu du State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, Collège des sciences et de l'ingénierie électroniques, Université de Jilin, Chine, et le professeur Ruxin Li du State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Institut d'optique et de mécanique fine de Shanghai, Académie chinoise des sciences, ont démontré la réussite et la robustesse de la fs-LI en irradiant un mélange méthane/air pauvre avec une impulsion laser fs intense dans le régime de filamentation. Il est révélé que l'énergie laser de la pompe pour la combustion pauvre peut diminuer jusqu'à 1,5 mJ avec un dépôt d'énergie 25%, ce qui implique qu'il ne faut qu'une énergie inférieure au mJ pour atteindre fs-LI. Ils ont testé l'allumage laser avec une énergie laser de 1,8 mJ plus de 1000 fois et ont par conséquent atteint un taux de réussite de 100 %. montrant la robustesse de cette approche pour l'allumage des mélanges pauvres. La présente approche a une applicabilité générale aux conditions de combustion complexes dans une variété de moteurs qui ne sont pas dans des rapports stoechiométriques.
a Images en vue latérale de l'évolution dynamique du noyau de flamme allumé par le filament laser fs. b Couplages énergie plasma dans le flux méthane-air prémélangé mesurés avec des taux de répétition laser de 50 (triangle bleu), 100 (cercle vert) et 200 Hz (carré rouge). c Spectres OES induits par filament du mélange pauvre-carburant obtenus avec différents retards temporels de l'ICCD ; En médaillon :les intensités de signal des radicaux OH (rectangle rouge) et CH (point bleu) mesurées en fonction du retard de la porte. Crédit :Hongwei Zang, Helong Li, Wei Zhang, Yao Fu, Shanming Chen, Huailiang Xu, et Ruxin Li
Il est montré que le schéma fs-LI présente deux avantages majeurs par rapport au schéma ns-LISI :(i) énergie d'allumage ultra-faible, qui est environ un ordre de grandeur plus petit que celui du schéma ns-LISI, et (ii) un taux de réussite d'allumage de 100 %. Le mécanisme fs-LI est attribué à l'effet thermique par dépôt d'énergie laser dans le filament suivi de réactions chimiques de combustion et à la robustesse à l'effet d'allumage de ligne, qui est décrit en détail ci-dessous :
"L'équilibre dynamique entre l'auto-focalisation et la défocalisation du plasma dans le filament laser permet la génération de plusieurs canaux plasma Rayleigh ou plus longs avec l'intensité laser fixée à ∼50-100 TW/cm 2 niveau. Les molécules de carburant peuvent être activées et même fragmentées par des filaments laser de haute intensité, produisant de nombreux intermédiaires de combustion. En particulier, le long filament offre la possibilité d'un allumage « multipoint » le long du filament, appelé allumage "ligne", ce qui peut aider à améliorer la fiabilité de l'allumage des mélanges pauvres."
"En outre, à l'intérieur du filament laser fs, bien que la température initiale des molécules de gaz soit déterminée par diverses voies de dépôt d'énergie, telles que l'ionisation multiphotonique/tunnel, dissociation, excitation Raman, et l'excitation de collision n'est que d'environ 1400 K, la réaction d'oxydation à basse température des molécules de méthane peut encore se produire, qui permet le déclenchement de réactions chimiques combustibles, " ont-ils ajouté.
« L'approche actuelle, dans lequel l'allumage laser ultracourt de mélanges pauvres en carburant fonctionne dans un filament de plasma à relativement basse température et d'une longueur d'un centimètre, a non seulement une applicabilité générale aux conditions de combustion complexes dans une variété de moteurs qui ne sont pas dans des rapports stoechiométriques, mais offre des possibilités d'étudier les processus physico-chimiques ultrarapides sur l'échelle de temps fs/ps après l'interaction laser-combustible, " concluent les scientifiques.
