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)動機中產(chǎn)生非常精細、能減少摩擦的魚骨圖案，以期能實現(xiàn)降低汽車燃料消耗10％的目標。
參與這項工作的弗勞恩霍夫電氣工程師Udo Klotzbach估計，如果對內(nèi)燃機中某些單獨的部件進行這種處理，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％?！?/p>
當(dāng)汽車發(fā)動機里的活塞每分鐘運動幾千次時，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)在許多機器上，例如機車和銑床。即便是現(xiàn)代電動汽車，也會因為電動機和其他運動部件的摩擦而浪費部分電量。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)降低摩擦帶來的負面影響。例如，工程團隊已經(jīng)在活塞環(huán)上進行了抗摩擦技術(shù)測試，活塞環(huán)將發(fā)動機活塞像蠟封一樣封閉起來，以防止?jié)櫥瓦M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)動機運轉(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：“因為激光脈沖很短，因此不會使材料發(fā)生熱效應(yīng)，不會出現(xiàn)負面影響?！?/p>
與此同時，工程師們還加快推動這項技術(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程，也在探索微型圖案在機械工程和運動設(shè)備上的應(yīng)用。
