超短脈沖激光有望降低汽車油耗
弗勞恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology）的工程師們正在用超短脈沖激光使發(fā)動機(jī)中產(chǎn)生非常精細(xì)、能減少摩擦的魚骨圖案，以期能實(shí)現(xiàn)降低汽車燃料消耗10％的目標(biāo)。
參與這項(xiàng)工作的弗勞恩霍夫電氣工程師Udo Klotzbach估計(jì)，如果對內(nèi)燃機(jī)中某些單獨(dú)的部件進(jìn)行這種處理，汽車可以節(jié)省百分之幾的汽油或柴油。他表示：“如果我們也用它來加工普通軸承、滾動軸承和其他移動汽車部件，甚至可以使整車成本降低百分之十以上。更重要的是，經(jīng)過加工的部件平均壽命延長了約30％。”
當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)里的活塞每分鐘運(yùn)動幾千次時，它們與汽缸內(nèi)壁的摩擦?xí)p慢活塞的速度，增加動能損耗，最終浪費(fèi)了燃料。此外，小的材料損耗和變形會隨著時間推移逐步損壞引擎——直到出現(xiàn)“抱缸”現(xiàn)象。
類似的摩擦問題還出現(xiàn)在許多機(jī)器上，例如機(jī)車和銑床。即便是現(xiàn)代電動汽車，也會因?yàn)殡妱訖C(jī)和其他運(yùn)動部件的摩擦而浪費(fèi)部分電量。預(yù)測顯示，摩擦和相關(guān)磨損消耗了德國年度經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的2－7％。盡管此類摩擦不能完全避免，但可以通過新技術(shù)適當(dāng)降低摩擦帶來的負(fù)面影響。例如，工程團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在活塞環(huán)上進(jìn)行了抗摩擦技術(shù)測試，活塞環(huán)將發(fā)動機(jī)活塞像蠟封一樣封閉起來，以防止?jié)櫥瓦M(jìn)入燃燒室。
利用脈寬極短、能量極高的激光脈沖，工程師們可以在活塞環(huán)上產(chǎn)生幾微米的小洞，因此，在顯微鏡下看起來像排水溝或魚骨的圖案是肉眼無法察覺的。這些骨骼圖案有兩個功能：“一方面，它們減少了與氣缸壁摩擦的面積，另一方面，這些通道將發(fā)動機(jī)潤滑油直接輸送到最大的摩擦損失的區(qū)域。”Klotzbach解釋說。在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，油膜會在油環(huán)和氣缸內(nèi)壁之間浮動。
然而，激光必須在不產(chǎn)生尖銳毛刺的情況下，以高精度的方式產(chǎn)生骨骼圖案。這就是為什么工程師們還在使用超短波脈沖激光器，這種激光器發(fā)射的光脈沖通常能持續(xù)500 fs。換言之，一秒之內(nèi)能產(chǎn)生兩萬億次這樣的脈沖。Klotzbach解釋說：“因?yàn)榧す饷}沖很短，因此不會使材料發(fā)生熱效應(yīng)，不會出現(xiàn)負(fù)面影響。”
與此同時，工程師們還加快推動這項(xiàng)技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的速度。他們正在與汽車行業(yè)的合作伙伴一起推動測試進(jìn)程，也在探索微型圖案在機(jī)械工程和運(yùn)動設(shè)備上的應(yīng)用。
