Aprinderea laser cu dublu-puls

Aprinderea laser a fost investigată ca o posibilă alternativă a bujiilor capacitive utilizate în mod regulat, datorită caracterului său non-invaziv. Metoda tipică de aprindere cu laser folosește un puls laser nanosecundă (ex: de la un Nd: YAG) pentru a genera o scânteie la temperatură ridicată în interiorul camerei de ardere a unui motor. Această soluție este atractivă datorită lipsei de electrozi (care tind să acționeze ca un disipator termic în camera de ardere), a capacității de a sincroniza foarte precis aprinderea, a flexibilității în localizarea sursei de aprindere (în funcție de optica de focalizare) și a abilității sale de aprindere la presiuni înalte (o proprietate de interes pentru turbinele cu gaz de mare capacitate utilizate ca generatoare). Cu toate acestea, scânteia laser folosind un singur puls prezintă și unele neajunsuri: scânteia laser este extrem de ineficientă din punct de vedere energetic, nu poate fi livrată cu ușurință în camera de ardere (livrarea pulsurilor de mare putere prin fibre optice este dificilă) și emisiile de NOx sunt mai elevate în comparație cu bujiile electrice. Soluția investigată de noi nu este altceva decât o încercare de a rezolva unele dintre aceste probleme. Pulsul REMPI este foarte eficient în ionizarea moleculelor de gaz. Mai mult, prin decuplarea procesului de fotoionizare de etapa de ionizare în avalanșă prin utilizarea a două pulsuri separate, se poate obține mult mai mult control asupra parametrilor plasmei (temperatură, densitate electronică și câmp de viteze).

Studiul publicat în Scientific Reports (Scientific Reports, Vol. 10, 19916, 2020) prezintă o nouă tehnică de aprindere cu laser pentru motoarele cu ardere internă care utilizează o schemă în dublu-puls. Primul puls laser, în UV, este ales pentru a ioniza oxigenul molecular prezent în camera de ardere printr-o schemă de ionizare rezonantă de tip 2+1 REMPI, centrată în jurul lungimii de undă λ=287,6 nm. Acest prim puls generează o plasmă slab ionizată (n_e ~ 1E16 cm-3, T = 500 K) care este încălzită câteva nanosecunde mai târziu (t < 10 ns) de un al doilea puls laser non-rezonant în infraroșu (λ = 1064 nm). Combinația celor două pulsuri produce o plasmă de aprindere fierbinte (n_e ~ 8x10¹⁷ cm^-3, T ~ 8000 K) capabilă să aprindă amestecuri CH₄-Aer sărace în combustibil (ϕ=0.55). Studiul începe prin caracterizarea plasmei de aprindere laser utilizând împrăștiere laser de tip Rayleigh/Thomson. Aceasta este urmată de demonstrarea aprinderii într-un vas de presiune înaltă. În cele din urmă, studiul experimental este completat cu o investigație a modului de propagare al flăcării în interiorul camerei prin intermediul imagisticii de mare viteză de tip OH* chemiluminescence. Gazodinamica nucleului de aprindere a fost modelată folosind un cod numeric propriu care rezolvă ecuațiile curgerii (Navier-Stokes) în regim compresibil și vâscos.

Concluzia principală a acestui studiu este că tehnica de aprindere în dublu-puls folosește mai puțină energie decât metoda de de aprindere laser cu scânteie într-un singur impuls (factor de ~ 2,5). Mai mult, această tehnică ne permite să aprindem amestecuri mult mai sărace în combustibi decât toate celelalte tehnici de aprindere investigate anterior. Eficiența energetică demonstrată aici ar putea deschide noi oportunități privind implementarea practică a sistemelor de aprindere cu laser pentru aplicații în domeniile aerospațiale și de generare a energiei. Acest studiu a fost finanțat de US Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) în cadrul unui grant cu nr. FA-9550-18-1-0239.

Dr. Ciprian Dumitrache este cercetător științific CSIII în cadrul Institutului Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației (INFLPR). Domeniul său de cercetare îl reprezintă dezvoltarea de diagnostică laser pentru aplicații în combustie, plasmă și mecanica fluidelor. Principalele sale direcții de cercetare includ: aprinderea cu laser, combustia asistată de plasmă, cinetica plasmei, spectroscopia în regim femtosecundă, modelarea numerică și senzoristica. Ciprian a fost bursier Fulbright la Georgia Institute of Technology și a efectuat studiile doctorale la Colorado State University (2013-2017). Înainte de a veni la INFLPR, Ciprian a fost cercetător postdoctoral la Ecole CentraleSupelec în Paris, unde a lucrat la dezvoltarea unui diagnostic laser folosind pulsuri femtosecundă pentru caracterizarea descărcărilor utilizate în nitrurare.