Daugiau kaip pusantro šimto metų degimo žvakės suteikdavo galią vidaus degimo varikliams. Mašinų gamintojai žengė dar vieną žingsnį link naujos technologijos, kuri pakeis ilgai gyvuojančią sistemą lazeriniais degikliais. Naujoji technologija reiškia švaresnę, labiau efektyvią ir labiau ekonomišką transporto priemonę.
Seniau pakankamai stiprūs lazeriai, kurie turėjo uždegti variklyje esantį oro ir kuro mišinį, buvo per daug dideli, kad būtų galima juos patalpinti po mašinos dangčiu. Šiais metais Lazerių ir elektrooptikos konferencijoje (Conference on Lasers and Electro Optics: CLEO) mokslininkai iš Japonijos pristatys daugiaspindulinę lazerinę sistemą, kuri yra pakankamai maža, kad būtų galima ją įsukti į variklio cilindro galvutę.
Pasak vieno iš autorių, Takunorio Tairos (Takunori Taira), taip pat svarbu, kad naujoji lazerinė sistema yra pagaminta iš keramikos ir galėtų būti nebrangiai gaminama dideliais kiekiais. Takunori Taira dirba Japonijos gamtos mokslų nacionaliniame institute (Japan's National Institutes of Natural Sciences).
Taira pabrėžė, kad įprastos degimo žvakės buvo pagrindinis barjeras, siekiant pagerinti kuro ekonomiją ir sumažinti azoto oksidų (NOx), kurie yra pagrindiniai smogo komponentai, išmetimą į aplinką. Degimo žvakės veikia pasiųsdamos mažą, tačiau didelės įtampos kibirkštį tarp dviejų metalo elektrodų. Kibirkštis uždega oro ir kuro mišinį, esantį variklio cilindre. Išaugęs slėgis cilindre nustumia stūmoklį į cilindro dugną, ir ši galia sudaro sąlygas transporto priemonei judėti.
Varikliai gamina azoto oksidus, kurie yra šalutiniai degimo produktai. Jei varikliuose būtų naudojamas žymiai „liesesnis“ kuro ir oro mišinys, tai yra mišinyje būtų santykinai mažiau kuro, tai gamintųsi bei būtų mažiau išmetama į aplinką azoto oksidų.
Degimo žvakės gali uždegti ir liesesnį kuro mišinį, bet tam reikia padidinti kibirkšties energiją. Blogiausia, kad didelės įtampos kuriama kibirkštis naikina degimo žvakės elektrodus taip greitai, kad toks sprendimas pasidaro tiesiog ekonomiškai nenaudingas. Tuo tarpu lazeriai, kurie uždega oro ir kuro mišinį su koncentruota šviesos energija, neturi elektrodų ir todėl nėra susiduriama su tokiomis problemomis.
Lazeriai taip pat padidina sistemos efektyvumą. Įprastinės degimo žvakės yra montuojamos ant cilindrų viršaus ir uždega oro ir kuro mišinį, esantį arti žvakės. Santykinai šaltas metalas, kuris yra šalia degimo žvakės elektrodų, bei cilindro sienelės sugeria kibirkšties šilumą, gesindami ugnį, kuri tik pradeda plėstis.
Lazeriai, kaip paaiškino Taira, gali sufokusuoti spindulius tiesiai į mišinio centrą. Nėra kibirkšties gesinimo, liepsnos frontas plečiasi labiau simetriškai ir iki trijų kartų greičiau nei tai vyksta naudojant degimo žvakes.
Jis pabrėžė, kad labai svarbu, jog lazeriai savo energiją perduoda per kelias nanosekundes lyginant su milisekundėmis, kai dirba degimo žvakės. „Trumpas uždegimo laikas yra labai svarbus elementas. Kuo tiksliau gali būti parinktas uždegimo momentas, tuo efektyvesnis galėtų būti degimo procesas bei geresnė kuro ekonomija“, – pasakė jis.
Lazerių panaudojimas žada mažesnę taršą bei didesnį kuro sąnaudų efektyvumą, tačiau iki šiol niekaip nesisekė pagaminti mažus ir galingus lazerius. Vidaus degimui įžiebti lazeriai turi sufokusuoti šviesą apytiksliai iki šimto gigavatų į kvadratinį centimetrą galia. Kiekvieno trumpo impulso energija turi siekti iki dešimties milidžiaulių.
„Seniau tokius reikalavimus atitinkantys lazeriai negalėjo būti panaudoti tyrimams, nes jie buvo dideli, neefektyvūs ir nestabilūs“, – pasakė Taira. Jie negalėjo būti talpinami ir toliau nuo variklio, nes reikalingas galingas spindulys sugadintų bet kokius optinius pluoštus, skirtus šviesos energijai perduoti į cilindrus.
Tairos mokslininkų grupė apėjo šią problemą, gamindami kombinuotus lazerius iš keramikos miltelių. Milteliai yra pakaitinami ir patalpinami į šviesą praleidžiančias medžiagas. Įterpti metalų jonai padeda reguliuoti lazerių savybes.
Keramiką yra lengviau optiškai valdyti nei įprastus kristalus. Keramikinės medžiagos taip pat yra žymiai tvirtesnės, labiau ilgaamžiškesnės ir lengviau praleidžia šilumą, todėl lengviau išsklaido variklio šilumą ir nepatiria gedimo.
Tairos grupė pagamino lazerį iš dviejų itrio-aliuminio-galio (YAG) segmentų. Vienas segmentas buvo legiruotas neodimiu, o kitas – chromu. Jie sujungė abu segmentus kartu ir gavo galingą lazerį, kurio diametras yra tik devynių milimetrų, o ilgis – apie vienuoliką milimetrų.
Kombinuota sistema generuoja du lazerio spindulius, kurie gali uždegti kurą dvejose skirtingose vietose vienu metu. Taip gaunama liepsnos siena, kuri sklinda daug greičiau ir tolygiau nei naudojant vieną lazerio spindulį.
Lazeris nėra pakankamai galingas, kad galėtų uždegti „liesą“ kuro mišinį naudodamas vieną impulsą. Tačiau panaudojant kelis aštuonių šimtų pikosekundžių ilgio impulsus, galima perduoti pakankamai energijos kurui uždegti.
Komerciniam automobilių varikliui reikėtų šešiasdešimties hercų dažniu veikiančio lazerio, pažymėjo Taira. Šiuo metu mokslininkai jau išbandė ir dvigubo spindulio lazerius, veikiančius prie šimto hercų dažnio. Toliau yra dirbama siekiant sukurti ir trijų spindulių lazerį, kuris užtikrintų žymiai greitesnį bei tolygesnį kuro mišinio degimą.
Lazerio degimo sistema, nors ir daug žadanti, šiuo metu nėra įdiegta nė vienoje gamyklinėje transporto priemonėje. Tačiau Tairos grupė dirba su didele degimo žvakių kompanija bei DENSO korporacija, kuri priklauso „Toyotos“ grupei.
