Laserowy zapłon w samochodach
Japończycy stworzyli laserowy system zapłonowy dla samochodów, dzięki któremu nie tylko zaoszczędzimy benzynę, ale zmniejszymy też emisję tlenków azotu - głównego składnika smogu. Nowy zapłon zbudowany jest z ceramiki, zatem można go tanio produkować w dużych ilościach.
W obecnie stosowanym zapłonie iskrowym wykorzystuje się wysokie napięcie i iskrę przeskakującą pomiędzy dwoma elektrodami. Iskra zapala mieszankę paliwowo-powietrzną. Produktem spalania mieszanki są tlenki azotu. Można co prawda zmienić skład mieszanki tak, by do środowiska trafiało mniej NOx, jednak taka mieszanka zawiera mniej paliwa, a zatem do jej zapalenia konieczne jest wykorzystanie wyższego napięcia. Niestety, iskry powstające dzięki wyższemu napięciu prowadzą do szybkiego zużywania się elektrod, cała konstrukcja jest zatem niepraktyczna. Tymczasem lasery, zapalające mieszankę dzięki skoncentrowanej energii optycznej, nie zawierają elektrod, zatem nie dochodzi do ich korozji.
Takunori Taira z japońskiego Narodowego Instytutu Nauk Naturalnych wymienia kolejną zaletę laserów. Urządzenia takie poprawiają też efektywność silnika. Konwencjonalne świece zapłonowe umieszczone są na cylindrach i zapalają mieszankę gdy ta zajdzie się blisko nich. Jednak zimne metalowe elektrody oraz ściany cylindra błyskawicznie absorbują ciepło powstałe podczas eksplozji mieszanki, tłumiąc płomień gdy tylko powstanie. Taira mówi, że lasery można wycelować w środek mieszanki, zapalając ją od wewnątrz, dzięki czemu gazy będą rozprzestrzeniały się symetrycznie, a proces taki będzie przebiegał nawet trzykrotnie szybciej niż w konwencjonalnych rozwiązaniach. Ponadto lasery wyzwalają energię w ciągu nanosekund, podczas gdy świecom zajmuje to milisekundy. „Odpowiednie dobranie czasu i szybkie spalanie są bardzo ważne. Im bardziej precyzyjny wybór momentu zapłonu, tym bardziej efektywne spalanie i lepsza ekonomia silnika" - mówi Taira.
Dotychczas zaprzęgnięcie laserów do tego typu zadania było niemożliwe, gdyż musiałyby one skupić światło o mocy około 100 gigawatow na centymetr kwadratowy i wysyłać je w krótkich impulsach o energii większej niż 10 milidżuli każdy. Takie wymagania spełniały duże ciężkie lasery z laboratoriów naukowych.
Japończycy poradzili sobie z tym problemem budując kompozytowy laser z ceramiki. Powstały one dzięki podgrzaniu ceramicznego proszku, przez co powstała przezroczysta struktura w której umieszczono jony metali.
Japońskie lasery zbudowane są z dwóch segmentów składających się z itru, aluminium i galu. Jeden z segmentów wzbogacono neodymem, a drugi chromem. Laser ma jedynie 9 milimetrów średnicy i 11 milimetrów długości. Emituje on dwie wiązki światła, które jednocześnie zapalają mieszankę w dwóch miejscach. Dzięki temu pali się ona szybciej i bardziej równomiernie niż mieszanka zapalana w jednym miejscu.
Zespół Tairy współpracuje obecnie z należącą do Toyoty DENSO Corporation. Celem współpracy jest stworzenie lasera emitującego trzy wiązki światła.
Komentarze (12)
romero, 21 kwietnia 2011, 23:07
Jeśli to rozwiazanie sprawdzi się w praktyce, to nadejdzie trudny czas dla diesli, nie dość że będą dużo bardziej uciążliwe dla środowiska od benzyniaków, to jeszcze te drugie mogą się okazać ekonomiczniejsze.
cyberant, 21 kwietnia 2011, 23:34
moją pierwszą myślą było "jakie to oczywiste - czemu nikt na to wcześniej nie wpadł" jednak.. wcale nie jest takie oczywiste
bawo, myślę że to może bujnąć silniki mocno w przyszłość.
luxorr, 21 kwietnia 2011, 23:54
Laserowy zapłon to nic nowego.....
już w latach 70 wynalazł ten sposób Stanley Meyer jednak nie do benzyny lecz wodoru który wykorzystywał w silniku swojego wv przez ponad cztery lata.
Gość derobert, 22 kwietnia 2011, 11:07
zaraz się do tego projektu zabiorą koncerny paliwowe i magicznie zniknie, bo jak że to, silniki miały by palić jeszcze mniej ich drogiej benzyny?
Tolo, 22 kwietnia 2011, 14:31
No tak lobby paliwowe i tak dalej. Dlaczego się nie stosuje laserowego zapłonu ? Bo prosty jak konstrukcja cepa czyli tradycyjny zapłon daje obie całkiem nieźle rade a główne ograniczenia są gdzieś indziej.
pomysł jest tylko średni, nie wiadomo jak będzie się sprawdzał co ile wymagał wymiany i ile będzie kosztowała taka "świeca zapłonowa". Jeśli któryś z tych parametrów będzie nie pomyślny nie zobaczysz tego szybko w samochodzie. I to bez udziału lobby paliwowego.
cyberant jak bujniesz silnik w przyszłość skoro tylko zmieniasz sposób zapłonu?
Nie nadejdzie z rożnych względów. Jeśli chodzi o wydajność to z grubsza benzyna powinna być spalana w takich warunkach by się sama zapalała. A obie te konstrukcje umrą równo na rzecz pewnie gazu.
Dlaczego ?
Tlenki azotu nie biorą się z paliwa a z powietrza czyli z tlenu i azotu a powstają w wysokiej temperaturze jaka panuje w komorze spalania. Jedyną możliwością redukcji NOx dostępną w silniku (poza wyeliminowaniem azotu) jest obniżenie temperatury spalania.
Nie są produktem są skutkiem. Wcale do wytworzenia tlenków azotu nie jest potrzebna mieszanka. A różnica w ilości tlenów azotu miedzy takimi samymi silnikami z rożnymi układami zapłonowymi będzie taka ile tlenku azotu wytwarza przeskok iskry.
Robi się to tak ze się spaliny recyrkuluje co nie jest dobrym rozwianiem. powoduje to powstawanie cząstek stałych. W silniku można sobie poradzić albo z NOx albo z cząstkami stałymi resztę trzeba załatwić w układzie wydechowym. Obecnie odchodzi się od walki z NOx w silniku, na korzyść selektywnej redukcji katalitycznej czyli pozbycia się NOx ze spalin dzięki mocznikowi. Nie ma recyrkulacji spalin nie ma cząstek stałych bo wszystko się ładnie dopala w silniku. A NOx na koniec są ze spalin redukowane. A zubożenie mieszanki powoduje wzrost ilości NOxSzybkie zużywanie się elektrod to dość wyimaginowany porblem. A wysokie napięcie dla iskry to tylko porblem "kilku" zwojów więcej na uzwojeniu wtórnym cewki.
A niekonwencjonalne będą przepraszam gdzie w filtrze powietrza? Poza tym mieszanka i tak jest w kolo świec sprężana tak działa silnik tłokowy. Poza tym umiejscowienie świecy jest dość optymalne w tak małej przestrzeni jaką jest komora spalania. Co więcej to zjawisko jest nawet dość powszechnie wykorzystywane nazywa się to spalanie mieszanki uwarstwionej (w przeciwieństwie do spalania mieszanki jednorodnej) i pozwala na osiągniecie większej ekonomiczności ponieważ mieszanka jest wystarczająco bogata do zapłonu w okolicy świecy a wszędzie indziej jest uboższa zapłon w okolicy świecy spręża pozostałą mieszankę pozwalając jej się spalić mimo tego ze jest uboga.
Jest odwrotnie świeca nie powinna być zbyt gorąca żeby nie występował samozapłon. I za zimna żeby się nie niej syf nie osadzał. Prawidłowo dopasowana świeca po wyjęciu z silnika jest jasnobrązowa. Jak kiedyś złożycie świece o źle dobranej wart cieplnej to się przekonacie. Kto piździka miał to wie. Albo będzie mostkować świecę albo piździk nie będzie chciał gasnąć i będzie sobie popyrkiwał po wyłączeniu zapłonu. To z tłumieniem płomienia to już jakaś wyższa szkoła czarnej magi. Poza tym świeża mieszka wlatując do cylindra odzyskuje część ciepła ze scianek. Ale tego procesu żadna świeca nie zmieni. "Zimna" świeca wygląda mniej więcej tak
http://www.sae.org/mags/sohe/8152
No i znowu. Po pierwsze dobór momentu iskry nie stanowi problemu nawet dzisiaj. Wycelowanie lasera w środek to jakiś tam potencjalny plus ale przyspieszenie spalania mieszanki 3 krotnie już wcale nie. Po pierwsze można to osiągnąć już dziś na różne sposoby i nikt tego nie robi. Silniki dzisiaj są na ostrzu noża miedzy wytrzymałością a masa elementów. Na przykład przyspieszenie procesu spalania spowoduje zwiększenie przyspieszeń w układzie korbowym z którymi ktoś będzie sobie musiał poradzić.
Czasem stosuje się dwie świece zapłonowe żadna nowość np w lotnictwie. Natomiast zapłon w dwóch miejscach może wprowadzać "nerwowa" atmosferę w cylindrze. A co do równomierności to tez nie do końca bo mieszanka miedzy dwoma wybuchami zostanie sprężona na tyle ze może zapalić się sama i to detonacyjne wypalając w okolicy dziurę w "silniku".
Pozostaje pytanie o pobór prądu tego cuda. Bo dodatkowe obciążenie silnika może połknąć wszelakie potencjalne korzyści. No i co jak se zaświni nagarem? zamontujemy wycieraczki? No i co z tym laserem nie robi krzywdy silnikowi? Chyba ze dwa lasery działają tak ze iskra pojawia się na ich przecięciu bo ja w sumie nie widzę koncepcji celowania takim laserem.
Niech wsadza dwa takie o jednego cylindra to będą mieć cztery.
Na koniec pomysł jest nie najgorszy i ma pewien potencjał, ale przed nim daleka droga. Na razie to tylko maźenie. Po pierwsze powinien być niezawodny po drugie tani. Argumentacja słaba zupełnie. Tak jak by na siłę to próbowali wcisnąć. Od razu widać ze do tego podeszli od złej strony. Plusy tego systemu to potencjalny czas reakcji i możliwość zapalenia w innym miejscu niż świeca czy też możne nawet wzdłuż promienia. Ale reszta silnika musi być do tego przystosowana a do tego daleka droga.
ale tak to działa obwołali sukces na miarę wynalezienie koła potem okaże się ze nic z tego nie wyszło z rożnych względów i będzie na lobby paliwowe.
Kolejnym pozytywem jest to ze Japończycy sobie coś tam ubzdurali i próbują to sprzedać. Naszym tego brakuje. Japończycy trafią z tym laserem raz w płot przy samochodach drug raz w płot przy łodziach podwodnych na przykład, ale za trzecim razem w coś trafia i się przymnie albo wręcz ktoś wykombinuje jak z tego skorzystać i sam do nich przybiegnie.U nas natomiast wywiad z kim tam od tego "naszego" grafenu i pytanie dziennikarza (cytat dość luźny)
- Czy udało wam się już na tym jakoś zarobić ?
- Nie nie mamy jeszcze grantu ministerstwa.
Wiec jeśli dla kogoś zarobić znaczy dostać grant z ministerstwa to taka nauka już u zarania ma poważny porblem. Bo o wartości decyduje dzielący granty a nie rynek.
romero, 22 kwietnia 2011, 17:06
Twierdzisz że nie nastapi odwrót od diesli?
Argumenty, które są znane od dziesięcioleci a silniki iskrowe nadal mają się dobrze:
olej napędowy jest tańszy w prodkucji - co z tego jak to państwa dykują ceny paliw poprzez podatki, obecnie już ceny się zrównały bo jest też na olej większy popyt
silnik diesla ma teoretycznie większą sprawność (w praktyce też, ale jako turbodiesel) - ale benzyniaki są tańsze w produkcji, a wersje turbo lub kompresor osiągają większe moce z litra, więc do tego są mniejsze, lżejsze oraz tańsze w naprawach. Z punktu widzenia ekonomii benzyniaki mogą być górą.
ekologia - no i tu diesle nie są fajne, trzeba stosować filtry cząstek stałych, zbiorniki zmocznikiem, może się okazać że do centrum miast diesle nie będą miały wjazdu.
A co do przyszłości to wróżenie z fusów. Konstrukcje silników otta czy diesla na pewno pozostaną przez kilka dziesięcioleci. Czey paliwem będzie olej napędowy czy benzyna zobaczymy.
Gaz to pojęcie baaardzo szerokie miałeś na mysli lpg, cng, wodór czy jescze coś innego. A w kolejce do zastosowania czeka też etanol no i elektryczność. Ja sądze że my umrzemy a problem silnika o wysokiej sprawności do samochodów nie zostanie rozwiązany.
Tolo, 22 kwietnia 2011, 18:41
To skomplikowane
Zależne od horyzontu czasowego części świata ujęcia i od tego czy diesla traktujemy jako silnik o zapłonie samoczynnym czy taki właśnie silnik zasilany paliwem ropopochodnym i analogicznie do silników z zapłonem iskrowym.
W krótkim okresie w UE ludzie będą odchodzić od diesli (prywatni użytkownicy) bo się nie opłacają przy niskich przebiegach chyba ze producenci spuszcza z tonu to to oni konsumują znaczna cześć oszczędności w postaci różnicy w cenie jak nie będzie różnicy w eksploatacji różnica w cenie jest nieuzasadniona. W nieco dłuższej unia może diesle wykończyć nie spełnianą norma czystości spalin na przykład. Ale diesle dalej będą miały zwolenników przy dużych przebiegach a w transporcie kołowym jeszcze długo silnik benzynowy będzie bez szans. UE planuje redukcje tego rodzaju samochodów gdzieś do 2050. Silniki diesla umrą razem z benzyniakami a wykończyć może je elektryczność lub przepisy albo brak paliwa. Ale z ta elektrycznością to nic pewnego bo jak odejdziemy od węgla i elektrowni atomowych to będzie porblem z prądem.
Etanol raczej się nie przebije bo taniej jest uzyskiwać biopaliwo do diesla który go mniej konsumuje. Bierzesz rzepak wyciskasz i masz ewentualnie estryfikujesz. Zauważ ze już dzisiaj cena litra ON determinuje cenę oleju "w biedronce" bo przy znacznej różnicy popyt na olej stosowany jako paliwo gwałtownie wzrasta.
Silnik o ZI i ZS ma w zanadrzu alternatywne paliwa i tu może się stać kilka rzeczy
Wzrost zapotrzebowania na ropę naftową czy paliwa przez Chiny czy nawet Rosję może spowodować nieciekawe rzeczy z cenami. I kolejna sprawa państwa będące importerami ropy mogą nie chcieć dzielić się PKB z jej wydobywcami, a ci wręcz dzielić się ropą. I albo będzie trzeba korzystać ze źródeł paliw dostępnych lokalnie np gaz ziemny jako paliwo LNG dla silników iskrowych albo biopaliwa dla jednych i drugich. Wszytko zależy od różnych czynników w przyszłości (przykładem zróżnicowania lokalnego jest np Brazylia gdzie samochody z powadzeniem jeżdżą na alkoholu bo mają trzciny cukrowej pod dostatkiem). Dlatego właśnie wróżąc z fusów twierdze z za wcześnie jest stawiać krzyżyk na dieslu szczególnie w dłuższej perspektywie.
Albo filtr cząstek stałych albo mocznik przynajmniej przy obecnych normach. Albo wysoka temperatura spalania i NOx ale wypalone cząstki stałe albo obniżona temp spalania np przez recyrkulacje spalin i filtrowanie cząstek stałych. Obie drogi jednocześnie są bez sensu.
Już obowiązują restrykcje w rożnych miejscach i nie tylko ze względu na normę spalania ale również na hałas. Dotyczą najczęściej samochodów ciężarowych.
Często nie moc z litra jest istotna bo tu pole do popisu jest duże silnik musi mieć jeszcze odpowiednią charakterystykę i trwałość. Nikt nie kupi 1000 konnej ciężarówki której po 100 tyś wał wyjdzie bokiem. Diesle puki co maja jeszcze rezerwy trwałości które można wykorzystać bardziej wysilając silnik kosztem trwałości względem benzyniaka. Jak na przykład 1.3 multijet we fiacie, 105 koni z takiej pierdziawki to wg mnie trochę za dużo. Ale benzyna terz szaleje 85 z dwucylindrowego twin air to tez przesada. A wolkswagen z 1,4 tsi i np 125 KM.
romero, 22 kwietnia 2011, 19:48
Ale nikt nie stawia krzyżyka na dieslu jako silnikach w ciężarówkach. Jest też cały czas rosnący trend kupowania diesli w osobówkach. Ale ten trend w osobówkach może się odwrócić przy sprawniejszych silnikach benzynowych. Bo mają zalety o których pisałem.
Z ropy naftowej można robić i olej napędowy i benzynę. Ale jak będzie zapotrzebowanie głównie na olej to chociaż można tak prowadzić przerób ropy by było go więcej to i tak zostaną frakcje z których powstaje benzyna. I trzeba ją sprzedać i aby zrobić po dobrych cenach (a słabnący popyt na benzynę, wywinduje jescze bardziej ceny oleju, i być może obniży ceny benzyny) trzeba też oferować sprawniejsze silniki iskrowe.
Tyle, że rosnący popyt na auta w Chinach może wywindować ceny paliw na świecie, to skłoni właśnie do robienia paliwa, właśnie głównie do diesli (chociaż w niektórych krajach etanol) z roślin, co wywinduje też ceny żywności. I dlatego trzeba szukać paliw alternatywnych być może będzie to jakiś gaz, byc może elektryczność.
Zauważ, że większość krajów produkujących samochody jak kraje UE i Japonia nie mają zasobów ropy, a te które mają ropę nie produkują aut, wyjątkiem jest USA. Bedzie więc dla rządów tych krajów priorytetem w najbliższych latach szukać paliw alternatywnych. I promować rozwiązania powodujące zmniejszenie zużycia paliwa. Oraz co jest naturalne w krajach gęsto zaludnionych, wprowadzać coraz ostrzejsze normy czystości spalin.
Jeśli jedno i drugie da się osiągnąć przy pomocy "świecy laserowej" to wkrótce, jeśli oczywiście zapewnia ona bezawaryjną długotrwałą eksplatację silnika, będziemy ją mogli zobaczyć w nowych autach.
amur49, 22 kwietnia 2011, 21:26
Jednego tu nie rozumiem: aby wiązka laserowa coś zapaliła musi być zaabsorbowana w nieprzeztoczystym materiale, a mieszanka paliwowa jest przezroczysta. W dodatku wiązka w końcu trafi w ściankę cylindra lub w tłok (zależnie jak jest skierowana) i tam oczywiście naszkodzi.
thibris, 23 kwietnia 2011, 11:28
Im większa przezroczystość, tym większa moc lasera potrzebna do zapalenia tego czegoś. Mieszanka paliwowa nie jest całkowicie przezroczysta...
Koledzy powiedzą pewnie więcej na ten temat - ja sobie tylko dywaguję
shg, 23 kwietnia 2011, 12:07
Mieszanka jest przezroczysta dla światła widzialnego. Nie jest za to przezroczysta poza tym pasmem, w UV (ale to raczej odpada) i w niektórych zakresach podczerwieni.
Co do wypalania dziury, to akurat żaden problem, wystarczy zastosować soczewkę, tak że światło skupia się w bardzo wąską wiązkę w połowie drogi, uzyskując w tym punkcie potrzebną gęstość mocy. Dalej (poza ogniskiem) wiązka jest rozbieżna i nie wypali dziury w tłoku.
Tak samo działa to w CD (przy soczewce lasera średnica wiązki to chyba 1,6 mm) i w laserach do cięcia blach.
GregVIII, 23 kwietnia 2011, 15:36
Ja mam tylko jedno "ale" co z zabrudzeniem elementu optycznego? Bo zapewne takowe nastąpi.
Dla mnie ten pomysł to ciekawostka raczej, powinno się iść w badaniach w stronę wykorzystywania odnawialnych źródeł energii i jak najłatwiejszego ich wykorzystania.
Jak przerabianie odpadów roślinnych na "węglowodory" mogące zasilać silniki. Bo prąd czy gaz to już się przyjął.
O wodorze na razie ucichło, za bardzo niebezpieczny jeszcze jest
a nie mało 'terrorystów' by się uśmiechnęło na widok stacji wodorowej w centrum miasta/miejscu dużego zaludnienia.