Zapłon laserowy początkie… – Information Centre – Research & Innovation

© INFLPR, Nicolaie Pavel, 2020

Powszechny niepokój związany z negatywnym wpływem emisji gazów cieplarnianych na środowisko i zdrowie spowodował podjęcie zharmonizowanych działań, w ramach których Komisja Europejska ustanowiła ścisłe limity emisji z przemysłu i transportu oraz dofinansowała badania nad czystą energią.

Niemniej jednak powszechnie przyjmuje się, że silniki na paliwa kopalne będą w użyciu, dopóki alternatywne rozwiązania (takie jak np. samochody elektryczne) nie staną się ogólnodostępne i przystępne cenowo. „Nawet kiedy alternatywne rozwiązania będą powszechnie dostępne, silniki spalinowe będą nadal potrzebne”, mówi Nicolaie Pavel z rumuńskiego Narodowego Instytutu Fizyki Plazmy, Laserowej i Radiacyjnej (INFLPR), koordynator projektu LASIG-TWIN.

Badania nad zapłonem laserowym

Celem finansowanego ze środków unijnych projektu LASIG-TWIN było opracowanie bardziej efektywnych technik zapłonu w silnikach spalinowych, takich, jak te stosowane w samochodach. Od początku XX wieku do zapłonu wykorzystywana jest elektryczna świeca zapłonowa. Uczeni chcieli zbadać czy alternatywne systemy zapłonu, takie jak zapłon laserowy, mogą zwiększyć sprawność silników spalinowych.

„Chcieliśmy lepiej zrozumieć jakie korzyści może przynieść zapłon laserowy”, wyjaśnia Pavel. „W związku z tym zbudowaliśmy sieć współpracy obejmującą rumuński INFLPR, Laboratorium Elektroniki Kwantowej Układów Monolitycznych, a także cztery inne renomowane instytuty z Francji, Niemiec i Zjednoczonego Królestwa. Główny nacisk położyliśmy na szkolenia i wymianę doświadczeń na temat zapłonu laserowego”.

Badacze przetestowali szereg technik, w tym metody uszczelniania i spajania materiałów optycznych i metalicznych stosowanych w laserowych świecach zapłonowych. Zorganizowano wizyty w instytucjach partnerskich w celu wymiany doświadczeń i wspólnego przeprowadzania eksperymentów.

„Po wizytach często odbywały się warsztaty, w których uczestniczyli naukowcy z uniwersytetów, instytutów badawczych i prywatnych firm”, mówi Pavel. „W ten sposób udało nam się zwiększyć zainteresowanie partnerów przemysłowych zapłonem laserowym i promować nasze rozwiązanie”.

Zorganizowano dwie szkoły letnie się dla studentów i młodych naukowców pracujących nad zapłonem laserowym, podczas których odbywały się zajęcia prowadzone przez doświadczonych profesorów uniwersyteckich i badaczy biorących udział w projekcie. Rozpoznawalność projektu pomogły także zwiększyć międzynarodowe wydarzenia, takie jak konferencja Laser Ignition Conference 2017, która odbyła się w Bukareszcie.

Energooszczędne spalanie

Dzięki współpracy i szkoleniom międzynarodowym udało się opracować prototyp laserowej świecy zapłonowej. Wyniki badań przedstawiono w cieszącym się dużą liczbą pobrań artykule opublikowanym w czasopiśmie „Optical Engineering”. W 2018 roku innowacyjne rozwiązanie zostało przetestowane w przeznaczonym do samochodów osobowych czterocylindrowym silniku benzynowym z wielopunktowym wtryskiem paliwa.

„Nowością było to, że w silniku spalano ubogie mieszanki paliwowo-powietrzne, w których ilość powietrza w stosunku do paliwa jest wyższa niż zwykle”, wyjaśnia Pavel. To oznacza, że w wyniku spalania paliwa powstaje mniej zanieczyszczeń. „Udało nam się też wykazać, że dzięki zapłonowi laserowemu i stosowaniu ubogich mieszanek paliwowo-powietrznych można zwiększyć osiągi silnika w porównaniu z zapłonem elektrycznym”.

Wnioski te mogą pomóc w opracowaniu kompaktowego laserowego układu zapłonowego dla stacjonarnych silników gazowych używanych w fabrykach i elektrowniach. To z kolei skutkowałoby efektywnym i energooszczędnym spalaniem przy niższych emisjach. Naukowcy przewidują, że zapłon laserowy zostanie użyty w silnikach napędzanych ultraubogą mieszanką wodoru i powietrza pod wysokim ciśnieniem.

Pavel jest przekonany, że zapłon laserowy znajdzie zastosowanie między innymi w układach napędowych w transporcie kosmicznym i w dużych silnikach tłokowych na gaz ziemny. Wykorzystanie rozwiązania jest jednak zależne od zaangażowania producentów samochodów i ich gotowości do zainwestowania środków w badania oraz materiały.

„Należy podkreślić, że systemy zapłonu laserowego staną się tańsze tylko wtedy, gdy będą wdrażane na dużą skalę”, dodaje Pavel. „Ponadto istnieje potrzeba przeprowadzenia dodatkowych badań, by zapewnić, że urządzenia te będą mogły zastąpić prostą i niedrogą elektryczną świecę zapłonową”.