NATIONAL
INSTITUTE for LASER, PLASMA and RADIATION PHYSICS LABORATORY of SOLID-STATE QUANTUM ELECTRONICS |
|
TITLE:
LASER SYSTEM FOR IGNITION OF AN AUTOMOBILE ENGINE
TITLU:
SISTEM LASER PENTRU APRINDEREA MOTOARELOR DE
AUTOMOBILE
PROJECT ACRONIM: LASSPARK
DURATA
PROIECTULUI: 2012 - 2016
CONDUCATOR
PROIECT: CO:
INSTITUTUL
NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE PENTRU FIZICA LASERILOR,
PLASMEI SI RADIATIEI INCDFLPR DIN BUCURESTI
PARTNER:
P1:
RENAULT TECHNOLOGIES ROUMANIE S.R.L (RTR)
VALOARE
TOTALA:
3.530.000 lei, din care:
Buget INCDFLPR:
2.048.000 lei
Buget RTR:
952.000 lei
Cofinantare RTR: 530.000 lei
OBJECTIVE
REZULTATE
ETAPA
I. Decembrie 2012.
Bujie
laser bazata pe laserul comutat pasiv Nd:YAG/Cr4+:YAG
cu dimensiuni
si rezistenta corespunzatoare folosirii in aprinderea motoarelor.
Proiectarea ferestrei
optice pentru transferul radiatiei laser in camera de ardere
Valoare
totala:
673.500 lei
Finantare de la buget: 591.500
lei
Cofinantare:
82.000 lei
Activitati:
I.1
Solutie constructiva pentru laser compact Nd:YAG/Cr4+:YAG
cu rezistanta corespunzatoare folosirii in aprinderea motoarelor;
I.2 Selectarea materialelor pentru obtinerea ferestrei
optice ce transfera radiatia laser in camera de ardere. Solutii
constructive
privind fereastra optica;
I.3 Studiu privind pozitionarea optima a componentelor
bujiei laser (bujia laser, fibra optica, dioda laser etc.) intr-un
automobil;
I.4 Proiectarea unei camerei de ardere care sa
permita
vizualizarea procesului de aprindere si dezvoltare a combustibilului;
I.5 Operarea laserului Nd:YAG/Cr4+:YAG
in
conditii adverse de vibratii si temperatura;
I.6
Experimente preliminarii
privind folosirea directa a bujiei laser Nd:YAG/Cr4+:YAG
pe un motor
de automobil.
ETAPA
II. Decembrie 2013
Dinamica
procesului de aprindere folosind bujia laser. Influenta concentratiei
de
aer-combustibil asupra aprinderii. Metode pentru curatirea ferestrei
optice
Valoare
totala:
886.000 lei
Finantare de la buget:
708.000 lei
Cofinantare:
178.000 lei
Activitati:
II.1
Realizare si testare ferestra optica;
II.2 Motor modificat pentru vizualizarea
procesului de aprindere a combustibilului si de propagare a flacarii in
camera
de ardere;
II.3 Bujie laser cu pulsuri multiple pentru
curatirea automata a ferestrei optice;
II.4 Metode pentru schimbarea pozitiei de
focalizare a fasciculului laser si de aprindere in diferite puncte a
combustibilului
in camera de ardere. Solutii;
II.5a Vizualizarea si caracterizarea
procesului de aprindere;
II.6a Bujie laser pentru aprinderea amestecurilor
sarace in combustibil. Testare experimentala;
II.7a Metode pentru stabilizarea cu
temperatura a
lungimii de unda de emisie a diodei laser. Solutii.
●
Fereastra optica a fost realizata din sticla de safir. Au fost facute
teste de rezistenta si a fost selectata grosimea ferestrei astfel incat
sa reziste pana la presiuni statice de 200 bars.
●
A fost stabilita configuratia interna a 'bujiei' laser (avand un numar
redus de componente mecanice) si s-a decis modul de fixare/lipire a
componentelor optice, astfel incat acestea sa reziste la temperaturi
inalte si vibratii.
●
A fost realizat un nou prototip de 'bujie' laser. Imbunatatirile sunt
de ordin mecanic (proiectare, pozitionare optica, material etc.) si
functional (realizarea de pulsuri multiple pe un ciclu de pompaj).
● Prototipul a fost testat pe un motor de automobil, experimentele avand loc la Uzinele Dacia, Mioveni, in luna noiembrie 2013. Testele sau facut in ralanti (~750 turatii/min), precum si la 1500 si 2500 turatii/min, inlocuind una dintre bujiile clasice cu dispozitivul laser. Inregistrarile de presiune pe cilindrul respectiv au aratat ca dispozitivul laser a aprins combustibilul, experimentul fiind considerat un succes.
ETAPA
III. Decembrie 2014
A. Motor de
automobil aprins cu bujie laser
Valoare
totala:
707.000 lei
Finantare de la buget:
602.000 lei
Cofinantare:
105.000
lei
Activitati:
III.1 Prototip de bujie laser pentru aprinderea unui motor
de masina;
III.2 Sistem integrat dioda laser - fibra optica - bujie
laser pentru
aprinderea motorului. Proiectare preliminara si testare;
III.3 Motor aprins cu bujie laser;
III.4. Masuratori
privind noxele emise de motor in functie de concentratia
aer-combustibil.
● A fost
realizat un sistem de aprindere a motorului, sistem compus din 4
(patru) dispozitive de tip 'bujie laser', pompate independent cu diode
laser si comandate (prin calculator) cu ajutorul unei singure surse de
alimentare.
● Acest sistem a fost ajustat si apoi testat impreuna cu Renault
Technologie
Romanie la Centrul RTR din Pipera si la Centru Tehnic Titu.
● A fost operat un motor Renault folosind numai
aprinderea cu
dispozitive de tip 'bujie laser'.
● Un
montaj functional de tip 'bujie laser' a fost
prezentat la expozitia Renault dedicata cercetarii, expozitie
care s-a
tinut in perioada 10-13 iunie la Versailles-Satory,
Paris,
Franta.
Montajul a fost
expus si la expozitia
interna Renault, desfasurata la Centrul Titu, in perioada 25 iulie - 20
august.
● Prototipul
'bujie laser' a fost expus la Salonul Cercetarii Romanesti, 15-18
octombrie 2014, Bucuresti, Romania.
ETAPA
IV. Decembrie 2015
B. Motor de
automobil aprins cu bujie laser
Valoare
totala:
462.242 lei
Finantare de la buget:
387.862 lei
Cofinantare:
74.380
lei
Activitati:
IV.1
Evaluarea eficientei motorului aprins cu bujie laser
si comparatie cu
aprindere cu bujie clasica. Studiul influentei concentratiei
aer-combustibil
asupra puterii motorului;
IV.2 Influenta concentratiei aer-combustibil asupra
performantelor aprinderii.
● Au fost evaluate diferite configuratii ale opticii
care asigura
transferul radiatei de pompaj de la dioda laser la mediul Nd:YAG/Cr4+:YAG,
astfel incat laserul sa emita pulsuri cu energia mai mare de 4 mJ.
● Sistemul laser de tip bujie a fost testat in
diferite conditii de
temperatura.
● A fost operat un motor laser de tip Renault numai
cu ’bujii’ laser si
s-au masurat diferiti parametrii de stabilitate (COVPmax
si COVIMEP),
precum si emisiile de HC, CO, NOx si CO2. In
general, in comparatie
cu aprinderea cu bujii clasice, pentru aprinderea cu dispozitive laser
s-a
obtinut o imbunatatire a stabilitatii motorului la viteze medii (pana
la 2.000
rpm) si incarcari mici (pana la 880 mbar), precum si o reducere a
noxelor HC si
CO. Emisiile de NOx si CO2 au crescut.
_
ETAPA V.
Decembrie 2016
Motor
de
automobil echipat cu bujii laser
Valoare
totala:
801.258 lei
Finantare
de la buget:
710.638 lei
Cofinantare:
90.620
lei
Activitati:
V.1
Bujie laser pentru aprinderea amestecurilor sarace in
combustibil. Testare
experimentala;
V.2 Program comandat de
calculator pentru aprinderea unui motor cu bujie laser;
V.3 Solutii alternative pentru plasarea bujiei laser pe un
motor de
automobil;
V.4 Metode pentru
schimbarea pozitiei de focalizare a fasciculului laser si de aprindere
in
diferite puncte a combustibilului in camera de ardere. Experimente;
V.5 Metode pentru
stabilizarea cu temperatura a lungimii de unda de emisie a diodei
laser.
Experimente;
V.6 Studii privind posibilitatile de folosire a bujiei
laser in
aplicatii
alternative;
V.7
Motor de automobil echipat cu bujii laser.
Testarea motorului;
V.8 Sistem final de comanda si control al bujiei
laser.
● Au
fost efectuate experimente privind consumul de combustibil si
stabilitatea in
funcționare a unui motor pe benzina cu injecție indirecta MPI, motorul
fiind
echipat cu un sistem de aprindere format numai din dispozitive laser de
tip
’bujie’, funcționând in puncte stabilizate de turație si sarcina la
diferite
concentrații ale amestecului aer-combustibil.
● Dispozitivele
laser de
tip bujie si sistemul de comanda au fost instalate pe un automobil
Dacia,
acesta ruland cu acest sistem de aprindere.
● A
fost propus si a fost realizat (montaj experimental) un laser cu patru
fascicule. Aceasta solutie ar permite aprinderea de combustibil in mai
multe puncte
si ofera posibilitati de plasare a aprinderilor intr-un anumit volum
determinat, sau de
comanda a acestora in timp;
● Rezultatele
au fost
diseminate prin:
a) Publicarea unui articol intr-o revista indexata ISI-Web
of Science, Photonics Research;
b) A fost publicat un articol in Optics Expres (revista
indexata ISI - Web of Science), manuscrisul fiind trimis pentru
evaluare si
fiind acceptat in anul 2015;
c) O comunicare orala si trei prezentari poster la
conferinte internationale;
d) O prezentare la "Workshop
1: History, Status and Future of Laser Ignited Combustion Engines,” care s-a
desfasurat in perioada
29-30 septembrie 2016 la INFLPR, Magurele, in cadrul proiectului
European
"691688 LASIG-TWIN: Laser Ignition - A Twinning Collaboration for
Frontier
Research in Eco-Friendly Fuel-Saving Combustion”, sesiunea Automotive
Applications - II -, 30 septembrie;
d) O propunere de brevet care a fost inregistrata in
Romania
si in Franta.
● Rezultate
obtinute in cadrul acestui proiect au fost popularizate in cadrul
Renault
Technologie Roumanie, intr-o nota interna din data de 30 octombrie 2016.
● INFLPR, Laboratorul de Electronica Cuantica a Solidului a aplicat, in anul 2015, pentru un proiect European de tip "twinning”, subiectul fiind despre aprinderea cu laser. Propunerea a fost evaluata si proiectul
a fost acceptat pentru finantare. Proiectul se numeste "691688 LASIG-TWIN: Laser Ignition - A Twinning Collaboration for Frontier Research in Eco-Friendly Fuel-Saving Combustion”, iar partenerii externi sunt
Bayreuth University, Bayreuth, Germania; University of Liverpool, Liverpool, UK; Centre National de la Recherche Scientifique,Châtenay-Malabry, Franta si Fraunhofer Institute, IOF, Jena, Germania. Informatii
despre proiect se gasesc la: http://ecs.inflpr.ro/Proiect%20LASIG-TWIN%20691688.html si http://www.lasig-twin.eu/
Imagini
din timpul rularii automobilului Dacia Logan: a)
‘Bujiile’ laser inainte
de instalare; b) Imagine cu dispozitivele laser de
tip 'bujie'
instalate;
c), d), e)
Rulare inainte; f), g),
h) Rulare in marsarier; i), j)
Imagini ale bordului, masina in stationare, motor ambalat.
DISEMINARE
REZULTATE
PUBLICATII,
ARTICOLE ISI
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399217300270
[2015
Impact
Factor: 1.879].
4. T. Dascalu, G.
Croitoru, O. Grigore, N. Pavel,
“High-peak
power passively Q-switched Nd:YAG/Cr4+:YAG
composite laser with multiple-beam output,” Photonics
Research 4(6), 267-271 (2016). https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-4-6-267
[2015
Impact
Factor: 3.179].
3. N.
Pavel, T.
Dascalu, G. Salamu, M. Dinca, N. Boicea,
and A. Birtas, “Ignition of an automobile engine by high-peak power
Nd:YAG/Cr4+:YAG
laser-spark devices,” Opt. Express
23(26),
33028-33037 (2015).
https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-23-26-33028 doi:
10.1364/OE.23.033028
[2015
Impact
Factor: 3.188]
Nota:
Lucrarea a fost finantata in principal (90%) din acest
proiect.
2. T.
Dascalu, G. Salamu, O. Sandu, M. Dinca, and
Nota:
Lucrarea a fost finantata partial (70%) din acest
proiect.
1. T.
Dascalu, G. Salamu, O. Sandu, F. Voicu, and
Nota:
Lucrarea a fost finantata partial (40%) din acest
proiect.
PROCEEDINGS
1. G.
Salamu, A. Ionescu, C. Brandus, O. Grigore, N. Pavel and T. Dascalu,
"Generation of high-peak power 532-nm green pulses from composite,
all-ceramics, passively Q-switched Nd:YAG/Cr4+:YAG
laser," Proc.
SPIE 8882, ROMOPTO 2012: Tenth Conference on
Optics: Micro- to
Nanophotonics III, 888206 (June 10, 2013); doi:10.1117/12.2032267; Pagina
web: http://dx.doi.org/10.1117/12.2032267
Nota:
Aceasta
lucrare are
mentiunea "Best Poster SPIE
Award" pentru
prezentarea la conferinta ROMOPTO 2012: Tenth Conference on Optics:
Micro- to
Nanophotonics III, 3-6 September 2012,
Nota:
Lucrarea
a fost finantata partial (50%) din acest
proiect.
PATENTE
● A. Birtas, N.
Boicea, T.
Dascalu, N. Pavel, G. Salamu, O.-V. Grigore, “Laser Candle for
Combustion Engine
Pumping Beams ..,” Patent, No. FR3051511-A1, Publication date
24.11.2017;
International Patent Classification: F02P-023/4; Derwent Primary
Accession
Number: 2017-79875V.
● A. Birtas, N.
Boicea, T.
Dascalu, N. Pavel, G. Salamu, O.-V. Grigore, “Bujie cu laser pentru un
motor cu
ardere / Laser Spark Plug for Combustion Engine,” Romanian patent, No.
RO132267-A2,
Publication date 29.11.2017; International Patent Classification:
F02C-007/246;
F02P-023/4. Derwent Primary Accession Number: 2017-80743V.
● T. Dascalu, N.
Pavel, G.
Salamu, O. Grigore, F. Voicu, M. Dinca, "Sistem laser monolitic,
compozit
si compact cu livrare simultana a doua fascicule laser / Compact,
composite,
monolithic laser system with simultaneous emission of two laser beams,"
Romanian patent, No. RO129307-A0, Publication date 28.03.2014; OSIM
application
number A-00417 / 03.05.2013. International Patent Classification:
A61M-005/31;
B65B-003/04. Derwent Primary Accession Number: 2014-F52453.
Nota: Patentul a fost finantat partial (60%) din acest proiect.
Laboratory of Solid-State Quantum Electronics |