多点多脉冲Nd:YAG/Cr4+:YAG激光点火对定容燃烧室内H2/空气混合气燃烧特性的影响研究

本研究针对氢能源发动机燃烧效率优化难题，采用四光束Nd:YAG/Cr4+:YAG激光器，系统探究了多点火源(1-4点)与脉冲串模式(1-5脉冲)对H2/air混合气在1-9 bar初始压力下的燃烧特性影响。发现多点脉冲串点火虽不改变最大压力Pmax，但显著缩短燃烧时间tEC达29%，并首次揭示高压下脉冲串点火会缩小可燃极限的反常现象，为氢内燃机点火系统设计提供重要理论依据。

　　

随着全球能源危机加剧和环境问题凸显，氢能作为零碳燃料在交通领域的应用备受关注。然而氢内燃机在实际应用中面临两大技术瓶颈：一是传统火花塞电极会淬灭火焰核，二是稀薄燃烧条件下燃烧速度骤降。激光点火(LI)技术因其无电极干扰、可精确定位等优势，自1970年代起被视为突破这些限制的潜在方案，但现有研究多局限于单点单脉冲模式，对多点协同和脉冲时序效应的认识仍存在重大空白。

为系统解决这些问题，国内某研究机构团队创新性地开发了四光束输出的被动调Q Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG激光器，在0.205 dm³定容燃烧室(CVCC)中开展了系列实验。研究采用高精度压力传感器记录燃烧过程，通过调节泵浦脉冲宽度(250-890 μs)实现单脉冲或5脉冲串(间隔160 μs)输出，在1-9 bar初始压力下测试了λ=1.0-4.0的H₂/air混合气，并与CH₄/air混合气进行对比。

关键技术方法包括：1) 四光束集成激光器设计，单脉冲能量3.1 mJ/脉宽0.9 ns；2) 多模式点火控制(1P-1p至4P-5p)；3) 基于AVL GH14DK传感器的压力曲线分析；4) 热释放率计算模型；5) 燃烧效率评估体系。

主要研究结果：

3.1 1 bar初始压力下的激光点火
在λ=2.5的H₂/air混合气中，四点单脉冲(4P-1p)使t_EC缩短12.7%，而五点脉冲串(4P-5p)进一步降至29.8 ms，较单点单脉冲(1P-1p)降低19%。值得注意的是，单点点火在λ≥4.0时出现的两阶段燃烧现象，在多点脉冲串模式下完全消失。

3.2 高压条件下的点火特性
9 bar压力下，λ=3.0混合气的t_EC从108.9 ms(1P-1p)降至92.8 ms(4P-5p)。反常的是，高压环境下脉冲串点火反而使可燃极限变窄，如9 bar时单脉冲可点燃λ=6.25的混合气，而五脉冲串仅能点燃λ≤5.5的混合气。

3.3 热释放与燃烧效率
燃烧效率η在λ=2.0时高达0.96(5 bar)，但λ=3.0时骤降至0.21。脉冲串点火虽缩短燃烧时间，但对η影响有限，表明其优势主要体现在燃烧速率调控而非能量转化效率提升。

3.4 可燃极限拓展
在1 bar条件下，四点五脉冲(4P-5p)将可燃极限扩展至λ=6.9，创下当前文献报道的最佳记录。

这项发表于《Optics》的研究首次系统揭示了多点脉冲串激光点火对氢燃烧的调控规律：1) 通过空间分布式点火源缩短燃烧时间而不影响峰值压力；2) 发现高压下脉冲串点火会因冲击波干扰反而限制可燃极限的反直觉现象；3) 建立了燃烧效率与点火模式的量化关系。这些发现不仅为氢内燃机点火系统设计提供了精确的参数优化窗口，其揭示的"压力-脉冲数-可燃极限"反常关系更为极端条件下燃烧控制提供了新认知。未来研究可结合高速摄影进一步解析脉冲串点火下的火焰核相互作用机制，并探索在可变几何燃烧室中的应用效果。