SVĚTLO 2013/1 11 z odborného tisku Ať je vynález zapalovací svíčky připsán komukoliv – Edmondu Bergeru, siru Oli-veru Lodgeovi či Etiennu Lenoirovi – be-zesporu již více než sto let jde o základní součást spalovacího motoru. Je tomu tak od té doby, co Robert Bosch v roce 1902 vyrobil její první použitelný exemplář. Ale nedávný vývoj v oboru laserového zapa-lování paliva ukazuje, že nadvláda zapa-lovací svíčky může brzy skončit.Laserové zapalování není nové. Jeho první popis pochází z roku 1978, ale po následujících zhruba dvacet let bylo omezeno na výzkumné laboratoře. Do-statečně silné lasery byly příliš velké a příliš drahé na to, aby laserové zapa-lování mohlo být považováno za živo-taschopnou alternativu konvenčního zapalování. Počátkem nového tisíciletí laserová technika pokročila natolik, že mohla začít instalace laserových zapalo-vacích soustav do velkých, stacionárních spalovacích motorů. Jejich vysoká cena je ospravedlnitelná především význam-nou úsporou paliva a následným sníže-ním emisí CO2.Laserové zapalování přináší i jiné vý-hody. Schopnost zapálit chudší směs než jiskra svíčky vede ke snížení emisí NOx, spalování je stabilnější, otáčky při chodu naprázdno mohou být sníženy a odpa-dají servisní zásahy vynucené erozí elek-trody svíčky. Když bylo v rámci projektu výzkumu pokročilých pístových motorů (ARES) zavedeno laserové zapalování na motor Bombardier BSCRE-04 (expe-rimentální velkoobjemový jednoválcový motor spalující zemní plyn), bylo dosa-ženo 70% snížení emisí NOx při stejné účinnosti motoru, resp. 3% zvýšení tepel-né účinnosti na brzdě při stejné úrovni emisí NOx.Ve srovnání s kondenzátorovým zapa-lováním se zlepšila i stabilita hoření smě-si. Další výzkumy a vývoj v rámci ARES a kalifornského ARICE (pokročilé písto-vé motory s vnitřním spalováním), také uskutečňované na velkých stacionárních motorech, ohlásily – ve srovnání se za-palováním svíčkami se standardním jis-křištěm – zvýšení účinnosti využití pa-liva o více než 45 % a snížení emisí NOx o více než řád.Byly zjištěny čtyři mechanismy lase-rového zapalování: nerezonanční zapa-lování průrazem, rezonanční zapalování průrazem, tepelné zapalování a fotoche-mické zapalování. První mechanismus, Laserové paprsky „převálcují“ zapalovací svíčky který je podobný konvenčnímu zapa-lování svíčkou, je používán a studován nejvíce. Účinnost laserového zapalová-ní je větší hlavně proto, že místo zapále-ní směsi může být vybráno pružněji než u zapalovací svíčky: dovoluje zážeh da-leko od chladné stěny válců; je elimino-ván nevhodný stínicí a teplotu snižující účinek izolátoru svíčky. Následkem toho jádro plamene expanduje značně rychle-ji, jak odhalily fotografie. Při monitoro-vání tlaku ve válci se ukázalo i význam-né zkrácení doby hoření paliva. Ještě lepších výsledků je možné dosáhnout vytvořením násobného bodu zapálení. Toho se docílí použitím separátních la-serových paprsků zaměřených do vhod-ně rozložených bodů uvnitř směsi. Sa-fírové okno na konci laserového modu-lu v hlavě válce je určeno k tomu, aby chránilo laser před vysokými teplotami a tlaky uvnitř válce. Navíc samočisticí, tudíž prahová energie zážehu je udržo-vaná na konstantní výši a s dobou pro-vozu neklesá.Aby byly sníženy náklady a mohl se použít relativně velký laser, bylo by vý-hodné – u víceválcových motorů – pou-žít multiplexní systém, který z jediného laseru vysílá pulzy každému válci pro-střednictvím optických vláken. Avšak při požadovaném výkonu laseru (ener-gie pulzu typicky 10 až 100 mJ při tr-vání méně než 10 ns, což odpovídá svě-telné intenzitě přibližně 1 000 W/cm2 v místě zaostření paprsku) jsou optic-ká vlákna rychleji poškozována. Prove-ditelný systém zapalování bude muset využívat mikrolaserové moduly, na kaž-dý válec jeden, o velikosti porovnatel-né s konvenční zapalovací svíčkou, kte-ré jsou napájeny nižší intenzitou světla prostřednictvím optického vlákna z jed-noho zdroje čerpací diody.V roce 2009 tým z japonské vědec-ké a technické agentury (JST) popsal Nd:YAG laser s pracovní látkou v pev-né fázi schopný do válce uspokojivě dodávat jednobodově zaostřený papr-sek. Na začátku roku 2011 dva výzkumníci z uvede-ného týmu (prof. Takuno-ri Taira a Dr. Masaki Tsu-nekane) spolu s vědcem ze Státního ústavu pro la-ser, plazma a fyziku záře-ní v Rumunsku (Dr. Ni-colaie Pavel) oznámili vyvinutí zapouzdřeného keramického mikrolase-rového modulu (obr. 1) schopného dodávat tři od-děleně zaostřené paprsky pro větší výkon zapalová-ní. Tato práce byla částeč-ně podporována společ-ností Denso.Dr. Geoff Dearden ze School of Engineering, Liverpool Uni-versity, kde ve spolupráci s Ford Motor Company od roku 2003 běží výzkum la-serového zapalování, řekl: „Toto je zajíma-vá práce v oblasti nákladů na systém a bu-doucí miniaturizace laserových zapalovacích soustav. Jestliže správně usuzuji z publikova-ného, výzkum se doposud dělal ve válci stá-lého objemu, při atmosférickém tlaku a po-kojové teplotě.Pro koncept, který má být životaschop-ný, ať s optickým oknem, či nějakým roz-hraním v prostoru vstupu do válce, je třeba dokázat odolnost materiálu za skutečných provozních podmínek motoru a stálost pa-rametrů laserového zapalování. Také živo-taschopnost použití vícenásobných nízkých energetických pulzů k zapálení a řízení ho-ření paliva je nutné ještě testovat. Náš ná-zor je, že zbývá spousta věcí k probádání, než bude možné zavést laserové zapalování do běžného provozu v automobilech se spa-lovacími motory.“ [Automotive design, may/june 2011 (www.automotivedesign.eu.com)]Ing. Zdeněk KrajčovičObr. 1. Vývojový zapouzdřený keramický mikrolaserový modul produkující tři zaostřené paprsky