PROJECT DURATION:          01 June 2022 - 30 November 2024
DURATA PROIECTULUI:       01 Iunie 2022 - 30 Noiembrie 2024

PROJECT LEADER:               National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, Magurele 077125, Ilfov, Romania
CONDUCATOR PROIECT:     Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei, Magurele 077125, Ilfov, Romania

Contract value:                      1.050.000 lei

Valoare contract:                   1.050.000 lei

The research team:                PAVEL Nicolaie, PhD                         CS I

Echipa de cercetare:              GRIGORE Oana-Valeria, PhD           CS III

                                               STANCIU George, PhD                     CS III
 

                                               CROITORU Gabriela, PhD                CS

                                               BRANDUS Catalina-Alice, PhD         CS

                                               CRACIUN Alexandru, PhD student    ACS

                                               VOICU Flavius-Marian                       CS

    
 

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

● For its development, human society needs energy, and combustion is the major process by which this energy is obtained. On the other hand, human development has also led to awareness of the negative effects that energy production has on the environment. Consequently, various methods of improving combustion are sought for the efficient use of current resources; also, new resources are considered to be used in order to obtain clean energy. In the case of internal combustion engines, laser ignition has been seen as an alternative solution to increase efficiency and decrease specific emissions. Our research group has world-renowned results in laser ignition of gasoline-air mixtures in real car engines. Also, we recently reported the ignition of methane-air mixtures, using laser ignition at several points. On the other hand, studies and the use of hydrogen have seen a strong development in recent years. Within this project proposal the conditions for laser ignition of hydrogen-air mixtures of various concentrations and at different pressures will be determined. Spark-plug like laser devices will be used for ignition, emitting a single pulse or a train of successive pulses. Furthermore, a theoretical model for describing laser ignition in both these regimes will be developed. It is worth to mention that this topic fits within and corresponds to the European hydrogen strategy, established in April 2021 by "The Hydrogen Act".
● In this project the conditions for laser ignition of H₂-air mixtures will be investigated. The project has three main objectives, as follows.
O1. High-peak power, passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser with pulse-train emission;
O2. Ignition of H₂/air mixtures in a static, constant-volume chamber;
O3. Modeling of the train-pulse laser ignition process.

1. STAGE I. July - December 2022
2. STAGE II. January - December 2023
3. STAGE III. January - November 2024
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

RESULTS
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1. ETAPA I. Iunie - Decembrie 2022
- A fost determinata configuratia optica a laserului Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG, pentru emisia in trenuri de pulsuri.
- Laserul Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG realizat emite trenuri de pana la 10 pulsuri, fiecare puls cu energia de 2.5 mJ si durata de 0.9 ns. O a doua configuratie permite emisia de trenuri de pana la cinci pulsuri, fiecare puls cu energia de 3.8 mJ.
- A fost pregatita camera de ardere pentru experimentele de aprindere cu laser.
- Este in curs de realizare instalatia de reducere a presiunii si de livrare a H₂, care va permite realizarea de experimente de aprindere a amestecurilor H₂/aer.
- Au fost efectuate experimente de aprindere cu laser a amestecurilor de CH₄/aer, utilizand aprinderea intr-un punct cu un puls si cu trenuri de cate doua pulsuri laser, precum si aprinderea in patru puncte cu unul si cu trenuri de cate doua pulsuri laser. Au fost determinate presiunile maxime si timpii de ardere pentru fiecare configuratie de aprindere. S-a facut un studiu al influentei geometriei de aprinderea asupra limitelor de aprindere.
- S-au pus bazele unui model teoretic care sa descrie procesul de aprindere cu trenuri de pulsuri laser.

2.  ETAPA II. Ianuarie - Decembrie 2023

- Au fost efectuate experimente de aprindere cu laser ale unor amestecuri combustibile H₂/aer, intr-o camera statica cu volum constant, considerand pentru aprindere un singur punct. In aceste experimente a fost utilizat un laser Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG de tip ”bujie” laser, cu un singur fascicul, cu energie pe puls de 3.1 mJ si durata de 0.9 ns. Laserul a fost operat si in regim de trenuri de pulsuri (”pulse-burst mode”), cu pana la cinci pulsuri in fiecare tren de pulsuri, cu energie totala de 15.5 mJ.
- Primele experimente au fost realizate la presiune initiala P_in= 1 bar, utilizand pentru aprindere un singur puls laser. Au fost considerate amestecuri H₂/aer cu un raport de echivalență relativ, lambda in domeniul 1.5 - 5.0. A fost pus in evidenta efectul de autoaprindere (pentru lambda = 1.5), precum si cel de aprindere in doua etape, care s-a manifestat pentru un domeniu lambda=  3.8 - 4.55. In continuare, aprinderea s-a facut cu trenuri de pana la cinci pulsuri laser. Mentionam ca in timp ce aprinderile cu doua, trei si patru pulsuri au adus schimbari in curbele de presiune, acestea nu au fost evidente si pentru aprinderea cu cinci pulsuri laser. Din acest motiv, aprinderea s-a facut cu patru pulsuri laser insa, periodic, s-a verificat si ca nu sunt diferente in curbele de presiunea fata de aprinderea cu trenuri de cate cinci pulsuri laser.
- Din curbele de presiune, inregistrate pentru fiecare lambda, au fost determinate presiunile maxime si timpii de combustie; au fost considerati trei timpi de combustie, conform standard IP 541/06: timpul de intarziere in combustie, t_MCD; timpul principal de combustie, t_MCP si timpul de la aprindere pana la arderea totala, t_EC. Analiza acestor date a aratat ca aprinderea cu trenuri de pulsuri nu influenteaza presiunea maxima pentru amestecuri H₂/aer cu lambda= 1.5 (lambda aproape de raportul stoichiometric). Pentru intervalul lambda= 1.5 - 3.5, au fost observate scaderi in presiune (acestea fiind mici, de cateva procente) la aprinderea cu trenuri de pulsuri, in comparatie cu aprinderea cu un singur puls laser. Pentru amestecuri diluate, lambda= 4.0 - 5.0, aprinderea cu trenuri de pulsuri a dus la cresteri ale presiunii maxime. Pe de alta pare, aprinderea cu trenuri de pulsuri a condus la accelerarea procesului de combustie, observandu-se scaderi ale timpilor t_MCD si t_EC in comparatie cu aprinderea cu un singur puls laser. Au fost efectuate si experimente de aprindere cu diferite intervale (de 120 μs, 160 μs, 200 μs si 240 μs) intre pulsurile dintr-un tren de pulsuri. Prin aceste experimente s-a incercat sa se afle daca este un interval optim intre pulsuri, informatie de interes pentru modelarile teoretice.
- In continuare, aprinderea amestecurilor compustibile H₂/aer (cu lambda= 2.0 - 5.0) a fost studiata la presiuni ridicate, pana la P_in= 9 bar. Din curbele de presiune au fost determinate presiunile maxime si timpii de combustie. Au fost evaluate domeniile de manifestare a aprinderii in doua etape la diferite presiuni. In plus, au fost determinate limitele de aprindere in zona cu lambda diluat. S-a constatat ca, in comparatie cu aprinderea cu un singur puls laser, utilizarea de trenuri de pulsuri asigura aprinderea unor amestecuri mai diluate pentru presiuni pana la P_in= 1.5 bar. Peste aceasta presiune aprinderea cu un singur puls laser este de preferat. Spre exemplu, la P_in= 9 bar, limita de aprindere cu un tren de patru pulsuri laser a fost lambda= 5.3, aceasta fiind de lambda= 5.9 pentru aprinderea cu un singur puls laser.
- Au fost facute experimente de aprindere a unor amestecuri combustibile H₂/aer (lambda= 2.0) in mai multe puncte (pana la patru puncte, folosind un laser Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG cu patru fascicule) la presiune initiala P_in= 1 bar, folosind un singur puls laser. Sunt in curs de desfasurare experimente de aprindere in mai multe puncte cu trenuri de pulsuri laser.
- Diseminarea rezultatelor s-a facut prin trimiterea unui manuscris pentru publicare (in revista indexata ISI), printr-o propunere de brevet la OSIM, prin prezentarea a sase lucrari la conferinte cu participare internationala (o prezentare de tip keynote, doua prezentari orale si trei prezentari poster) si prin participarea la un salon de inventica. Este in pregatire un manuscris, care va fi trimis pentru posibila publicare intr-o revista indexata ISI.
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. ETAPA III. Ianuarie - Noiembrie 2024

- Au fost efectuate experimente de aprindere cu laser a unor amestecuri combustibile H₂/aer intr-o camera statica cu volum constant, aprinderea fiind facuta in mai multe puncte (controlul spatial al aprinderii) si folosind pentru aprinderea cu un singur puls laser sau trenuri de pana la cinci pulsuri laser (controlul temporal al presiunii).
- Au fost determinate curbele de presiune pentru diferite configuratii de aprindere: intr-un punct, in doua puncte, in trei puncte si in patru puncte, cu un singur puls laser, cu trenuri de cate trei pulsuri laser si cu trenuri de cate patru pulsuri laser. In experimente s-au utilizat amestecuri combustibile H₂/aer cu lambda intre 1.0 si 4.5 si presiuni initiale in camera de ardere intre 1 bar si 9 bar. Au fost determinate presiunile maxime si au fost calculati timpii de ardere (timpul de intarziere a arderii, timpul principal de ardere si timpul total de ardere) si s-a facut o comparatie a acestor parametrii pentru fiecare configuratie de aprindere.
- Caracteristicile pulsurilor laser au fost descrise printr-un model al ecuatiilor de rata. Au fost facute simulari ale efectelor termice induse in mediul activ laser Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG, considerand doua geometrii ale acestuia: de tip cilindru si de tip cilindru inelar.
- Rezultatele au fost diseminate prin publicarea a doua articole in jurnale indexate ISI Web of Science si prin patru prezentari (trei orale si un poster) la conferinte cu participare internationala. Sunt in pregatire doua manuscrise, care vor fi trimise pentru posibila publicare.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ARTICLES PUBLISHED IN ISI JOURNALS
1. C. Dumitrache, N. T. Vasile, G. Croitoru, N. Pavel, “Laser-induced ignition of methane-air mixtures by a four-beam, pulse-burst mode passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser,” Results Phys. 42, 105958 (2022). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105958
2. O.-V. Grigore and N. Pavel, “Laser ignition of hydrogen/air mixtures in a constant-volume combustion chamber using a pulse-burst Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser spark plug,” Opt. Express 32(17), 30344-30359 (2024). https://doi.org/10.1364/OE.532567
3. G. Croitoru, F. Jipa, N. Pavel, “Laser emission from buried depressed-cladding waveguides inscribed in Nd:YAG ceramics by picosecond-laser beam writing,“ Opt. Mater. 148, 114772 (2024). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.114772. Nota: Aceasta lucrare a fost sustinuta partial (~10%) din acest contract.
4. O.-V. Grigore, N. Pavel, "Multiple-beam output, high-peak power passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser for ignition application - Modeling of laser pulse characteristics and thermal behavior," Results Eng. 24, 103358 (2024). https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.103358

CONFERENCES

1. N. T. Vasile, G. Croitoru, C. Dumitrache, and N. Pavel, ”Multi-point, pulse-train laser ignition of methane-air mixtures by a high-peak power passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG compact laser,” 10th EPS-QEOD EUROPHOTON Conference, 28 Aug. - 2 Sept. 2022, Hannover, Germany; presentation TUE-P-1.1. EPJ Web Conf. 267, 01002 (2022), https://doi.org/10.1051/epjconf/202226701002
2. C. Dumitrache, G. Croitoru, N. Pavel, “Laser ignition of CH₄-air mixtures by a four-beam passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser operating in burst mode," The 9th Tiny Integrated Laser and Laser Ignition Conference 2023, 19-21 April 2023, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, presentation TILA-LIC2-02.
3. O. V. Grigore, A. Craciun, N. Pavel, “Thermal analysis of a passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser with multiple-beam output," The 9th Tiny Integrated Laser and Laser Ignition Conference 2023, 19-21 April 2023, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, presentation TILA-LICp-05.
4. G. Stanciu, F. Voicu, C. A. Brandus, C. E. Tihon, S. Hau, C. Gheorghe, G. Croitoru, L. Gheorghe, N. Pavel, ”Rare-earths doped Y₂O₃ laser materials,” International Conference on Crystal Growth and Epitaxy - ICCGE-20, 30 July - 04 August 2023, Naples, Italy; (poster presentation PS 2 - P30).
5. O.-V. Grigore, C. Dumitrache, G. Croitoru, and N. Pavel, “Aspects of CH₄-air mixtures laser ignition by a multi-point, pulse-train passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser,” Markus Pessa International Summer School "New Frontiers in Optical Technologies," 7 - 11 August 2023, Tampere University, Finland (poster presentation).
6. O. V. Grigore, N. Pavel, “Single-point, pulse-burst mode laser-induced ignition of hydrogen-air mixtures in a constant-volume combustion chamber by a passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser spark plug," Tmrees23Gr Technologies and Materials for Renewable Energy, Environment and Sustainability, Athens, Greece, November 27-29, 2023 (oral presentation, online) - Best Paper Award, European Academy for Sustainable Development.
7. N. Pavel, O.-V. Grigore, G. Stanciu, G. Croitoru, “Characteristics of Laser Ignition in Methane/Air and Hydrogen/Air Mixtures in a Constant-Volume Combustion Chamber,” 2^nd International Conference Advances in 3OM: Opto-Mechatronics, Opto-Mechanics and Optical Metrology, 11-14 December 2023, Timisoara, Romania (paper OPT23-13, keynote presentation). Book of Abstracts, ISSN 2810-5249.
8. O. V. Grigore, N. Pavel, “Pulse-burst mode laser ignition of H₂/air mixtures by a single-beam passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser," The 10th Tiny Integrated Laser and Laser Ignition Conference 2024, 24-26 April 2024, Pacifico Yokohama, Yokohama, Japan, presentation TILA-LIC3-03 (oral presentation)
9. G. Stanciu, F. Voicu, C. Tihon, A.M. Voiculescu, S. Hau, C. Gheorghe, G. Croitoru, L. Gheorghe, and N. Pavel, ”Multilayered Y₂O₃/RE³⁺:Y₂O₃ (RE= Nd, Yb) transparent ceramics: Fabrication process and laser performances,” The 2nd International Conference on Laser, Plasma and Radiation - Science and Technology (ICLPR-ST), 16-21 June 2024, Danube Delta, Crişan, Romania (P2-O5, poster presentation).
10. O. V. Grigore, G. Croitoru, G. Stanciu, A. Craciun, and N. Pavel, ”Laser ignition of H₂/air mixtures by a high-peak power passively Q-switched Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG laser,” The 2nd International Conference on Laser, Plasma and Radiation - Science and Technology (ICLPR-ST), 16-21 June 2024, Danube Delta, Crişan, Romania (O5, oral presentation).
11. O. V. Grigore, G. Croitoru, G. Stanciu, N. Pavel, “Study of multi-point laser ignition of CH₄/air and H₂/air mixtures in a constant-volume combustion chamber," Tmrees24Fr International Conference on Technologies and Materials for Renewable Energy, Environment and Sustainability, Metz, France, July 8-10, 2024 (oral presentation, online) - Best Paper Award, European Academy for Sustainable Development.

PATENT APPLICATIONS
1. N. Pavel, O.-V. Grigore, G. Croitoru, “Sistem Laser pentru Aprinderea Amestecurilor Combustibile,” cerere brevet de inventie OSIM; A/00314/21.06.2023. 
https://patentimages.storage.googleapis.com/5e/ac/be/457dee77e7d317/RO137724A0.pdf

ALTE REZULTATE
1. Participare la Expozitia Internationala Specializata “INFOINVENT”, ediţia a XVIII-a, 22-24 noiembrie 2023, Chisinau, Republica Moldova, cu propunerea de brevet de inventie ” Sistem Laser pentru Aprinderea Amestecurilor Combustibile”. - Medalie de Bronz; Compartimentul I: Invenţii, soiuri de plante, design industrial.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________