Fini les bougies? L’allumage à laser améliore le rendement de 30%

Technologies | 1 juillet 2019

Par eeNews Europe

Automotive LEDlighting Optoelectronics

Malgré toute l’attention portée aux véhicules électriques, le vénérable moteur à combustion interne à essence (MCI) est toujours là et il semble que ce le sera pour longtemps. Le sous-système d’allumage air-carburant utilisé aujourd’hui sur les véhicules à essence est un système très élaboré à injection de carburant commandé par ordinateur intégrant de nombreuses avancées technologiques majeures. Il est bien plus efficace et adaptable de manière dynamique par rapport au système ancient de carburateur simple avec distributeur mécanique et réglage de l’allumage fixe, qui était encore la norme il ya pa si longtemps. Néanmoins, des gains tangibles supplémentaires sont possibles avec une approche radicalement différente qui utilise un allumage à laser (LI) au lieu de la technique classique de la bougie électrique (ESP).

Pourquoi envisager une bougie d’allumage laser (LSP) et un allumage à laser ? Le LSP élimine le besoin d’électrode en saillie de la bougie classique, améliorant ainsi la zone de combustion. De plus, l’énergie du laser peut être dirigée à différents endroits dans le cylindre pour enflammer le mélange gaz-air, ce qui peut améliorer encore les performances. Enfin, plusieurs faisceaux laser peuvent être dirigés dans le cylindre pour une combustion plus complète.

Pour le démontrer, une équipe de recherche composée de trois organisations roumaines a reconfiguré et testé un moteur Renault standard utilisant un allumage laser, et ont constaté une amélioration de l’efficacité énergétique ainsi que la réduction des polluants à l’échappement – voir la figure 1.

Fig. 1: Schéma fonctionnel du montage expérimental, comprenant la diode laser (DL), la fibre optique (OF), la bougie d’ allumage à laser (LSP), le cylindre moteur (CYL) et l’unité de commande électronique (ECU) (a).
Le moteur équipé du système d’allumage laser (b).

Chaque «bougie d’allumage» laser consistait en une diode laser de 807 µm source qui «pompait» ensuite un laser pour obtenir une puissance de sortie accrue. L’action de pompage utilisait une durée d’impulsion de pompe de 250µs avec un taux de répétition d’environ 100 Hz. La sortie finale a été couplée au cylindre du moteur via une fibre optique de 600 µm. L’agencement complet a fourni des impulsions de 4 mJ à une longueur d’onde de 1,06 µm et une largeur de 0,8 ns au cylindre. Pour que l’énergie laser atteigne l’intérieur du cylindre, chacun a été équipé d’une fenêtre en saphir fixée avec un adhésif époxy spécial. L’adhésif peut supporter des températures de fonctionnement de -70 à + 170 ° C. Le faisceau laser était concentré à l’intérieur de chaque cylindre au même endroit où une bougie conventionnelle crée son étincelle.

Fig. 2: Schéma du banc d’essai moteur; la photo en médaillon
montre les quatre composants LSP.

La configuration a été testée dans deux conditions de carburant différentes sur un moteur de voiture de tourisme essence à injection multipoint à quatre temps, quatre cylindres, équipé d’une bougie standard de 30 mJ par rapport à la configuration laser (LSP) – voir la figure 2.

En utilisant un rapport air-carburant stœchiométrique (λ ~ 1) indiquant l’absence de carburant ou d’air non brûlé, l’approche LSP a entraîné une augmentation de près de 8% de la puissance du moteur, une réduction de 7,5% de la consommation de carburant spécifique (BSFC) et une réduction de 20% des émissions de monoxyde de carbone (CO) – voir la figure 3.

Fig. 3: Les tracés correspondant à la puissance du moteur (a) et à la BSFC du moteur en fonction du calage de l’allumage (b) à un régime moteur de 2 000 tr/min et à la pression effective moyenne (BMEP) = 2 bar à des rapports air-carburant (λ) de λ ~ 1 et λ ~ 1.25. Les lignes représentent des données ajustées à l’aide de fonctions polynomiales.

Avec un rapport air-carburant non stœchiométrique (λ ~ 1.25) laissant de l’air non brûlé après la combustion, les chiffres correspondants étaient les suivants: augmentation de 29% de la puissance du moteur, réduction de 21% du BSFC et réduction de 30% du CO.

Le développement de ce système à allumage laser (LI) a été réalisé par une équipe composée de chercheurs basés en Roumanie de l’Institut national de physique du laser, des plasmas et des rayonnements, de Renault Technologie Roumanie et de l’Université Politechnique de Bucarest. Leur article paru dans Optics Express, «Sur l’amélioration par allumage laser des performances d’un moteur à essence de voiture particulière», fournit des détails complets sur la conception électro-optique basée sur le laser, ainsi que des graphiques de performances et une analyse des paramètres cités ci-dessus et bien d’autres.