超短脉冲激光有望降低汽车油耗

2018-10-12 09:10

弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology）的工程师们正在用超短脉冲激光使发动机中产生非常精细、能减少摩擦的鱼骨图案，以期能实现降低汽车燃料消耗10％的目标。

参与这项工作的弗劳恩霍夫电气工程师Udo Klotzbach估计，如果对内燃机中某些单独的部件进行这种处理，汽车可以节省百分之几的汽油或柴油。他表示：“如果我们也用它来加工普通轴承、滚动轴承和其他移动汽车部件，甚至可以使整车成本降低百分之十以上。更重要的是，经过加工的部件平均寿命延长了约30％。”

当汽车发动机里的活塞每分钟运动几千次时，它们与汽缸内壁的摩擦会减慢活塞的速度，增加动能损耗，最终浪费了燃料。此外，小的材料损耗和变形会随着时间推移逐步损坏引擎——直到出现“抱缸”现象。

类似的摩擦问题还出现在许多机器上，例如机车和铣床。即便是现代电动汽车，也会因为电动机和其他运动部件的摩擦而浪费部分电量。预测显示，摩擦和相关磨损消耗了德国年度经济产出的2－7％。尽管此类摩擦不能完全避免，但可以通过新技术适当降低摩擦带来的负面影响。例如，工程团队已经在活塞环上进行了抗摩擦技术测试，活塞环将发动机活塞像蜡封一样封闭起来，以防止润滑油进入燃烧室。

利用脉宽极短、能量极高的激光脉冲，工程师们可以在活塞环上产生几微米的小洞，因此，在显微镜下看起来像排水沟或鱼骨的图案是肉眼无法察觉的。这些骨骼图案有两个功能：“一方面，它们减少了与气缸壁摩擦的面积，另一方面，这些通道将发动机润滑油直接输送到最大的摩擦损失的区域。”Klotzbach解释说。在发动机运转时，油膜会在油环和气缸内壁之间浮动。

然而，激光必须在不产生尖锐毛刺的情况下，以高精度的方式产生骨骼图案。这就是为什么工程师们还在使用超短波脉冲激光器，这种激光器发射的光脉冲通常能持续500 fs。换言之，一秒之内能产生两万亿次这样的脉冲。Klotzbach解释说：“因为激光脉冲很短，因此不会使材料发生热效应，不会出现负面影响。”

与此同时，工程师们还加快推动这项技术大规模生产应用的速度。他们正在与汽车行业的合作伙伴一起推动测试进程，也在探索微型图案在机械工程和运动设备上的应用。