WASHINGTON, 20 de Abril - Por mais de 150 anos, velas de ignição têm energizado os motores de combustão interna. Montadoras estão agora a um passo de ser capaz de substituir esta tecnologia de longa data com laser de ignição, o que permitirá veículos mais limpos, mais eficientes e mais econômicos.
No passado, os lasers forte o suficiente para inflamar a mistura ar-combustível de um motor eram grandes demais para caber sob o capô de um automóvel. Na Conferência deste ano sobre Lasers e Electro Optics (CLEO: 2011), realizada em Baltimore do dia 1 a 6 de maio, pesquisadores do Japão descreveram o primeiro sistema laser multifeixe pequeno o suficiente para rosquear no cabeçote de um motor.
De igual importância, o novo sistema a laser é feito de cerâmica, e pode ser produzido de forma barata em grandes volumes, de acordo com um dos autores da apresentação, Takunori Taira do Instituto Nacional de Ciências Naturais do Japão.
A vela de ignição comum (esquerda) e a laser com três micro-feixes de saída para uma ignição multi-ponto (direita). Foto cedida Takunori Taira, Institutos Nacional de Ciências Naturais, Japão.
De acordo com Taira, velas de ignição convencionais representam uma barreira para melhorar a economia de combustível e reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx), um componente chave do smog (smoke+fog / fumaça+neblina).
Velas de ignição trabalham enviando pequenas faiscas de alta tensão elétrica através de uma abertura entre dois eletrodos de metal. A faísca incendeia a mistura ar-combustível no cilindro do motor, produzindo uma explosão controlada que força o pistão para baixo até o fundo do cilindro, gerando a potência necessária para mover o veículo.
Motores fazem NOx um subproduto da combustão. Se os motores funcionarssem com uma mistura ar-combustível mais pobre - mais ar e menos combustível queimado - eles produzem emissões significativamente menores de NOx.
Velas de ignição podem inflamar misturas mais pobre de combustível, mas apenas aumentando a energia de ignição. Infelizmente, estas tensões elevadas corroem os eletrodos da vela tão rápido, que a solução não é econômica. Já do outro lado, lasers, que inflamam a mistura ar-combustível com energia ótica concentrada, não têm eletrodos e não são afetados.
Lasers também melhoram a eficiência. Velas de ignição convencional no topo do cilindro apenas inflamam a mistura ar-combustível próximo a elas. O metal relativamente frio nas proximidades dos eletrodos e as paredes do cilindro absorvem o calor da explosão, extinguindo a chama logo que começa a se expandir.
Lasers, segundo Taira, podem concentrar seus raios diretamente no centro da mistura. Sem têmpera, a frente da chama se expande mais simetricamente e até três vezes mais rápido do que os produzidos pelas velas de ignição.
Igualmente importante, diz ele, lasers aplicam sua energia em nanossegundos, em comparação com milissegundos para velas de ignição. “Sincronia - combustão rápida - é muito importante. Quanto mais preciso momento, o mais eficiente a combustão é, e melhor economia de combustível”, diz ele.
Lasers prometem menos poluição e geram maior eficiência de combustível, mas produzir pequenos lasers poderosos tem sido até agora, difícil. Para inflamar uma combustão, um laser deve focalizar a luz em aproximadamente 100 gigawatts por centímetro quadrado, com pulsos curtos de mais de 10 milijoules cada.
“No passado, os lasers que podiam atender a esses requisitos eram limitados à pesquisas, porque eles eram grandes, ineficientes e instáveis”, diz Taira. Nem poderiam ser localizados longe do motor, porque seus poderosos raios destruiriam qualquer fibra ópticas que entrega o raio para os cilindros.
A equipe de pesquisa de Taira superou este problema fazendo lasers composto a partir de pós cerâmicos. A equipe aqueceu o pó para fundi-las em sólidos opticos transparentes e incorpora íons metálicos neles para ajustar suas propriedades.
Cerâmicas são mais fáceis de ajustar opticamente do que os cristais convencionais. Eles também são muito mais fortes, mais duráveis, e termicamente condutivo, para que eles possam dissipar o calor de um motor sem quebrar.
A equipe de Taira construiu o laser de dois segmentos de ítrio-alumínio e gálio (YAG), um dopado com neodímio, o outro com cromo. Eles uniram as duas partes para formar um poderoso laser apenas 9 milímetros de diâmetro e 11 milímetros de comprimento (um pouco menos de meia polegada).
O composto gera dois feixes de laser que podem incendiar combustíveis em dois locais distintos ao mesmo tempo. Isso produziria uma parede de chamas que cresce mais rápido e mais uniformemente do que um iluminado por um único laser.
O laser não é forte o suficiente para incandecer as misturas mais pobres de combustível com um único pulso. Usando vários pulsos longo de 800 picosegundos, no entanto, podem aplicar energia suficiente para inflamar a mistura completamente.
Um motor de automóvel comercial exigirá 60 Hz (ou sequências de pulsos por segundo), Taira diz. Ele já testou o novo de feixe laser duplo a 100 Hz. A equipe também está trabalhando em um laser de três feixes que irá permitir uma combustão ainda mais rápida e uniforme.
O sistema ignição a laser, apesar de altamente promissor, ainda não está sendo instalado em automóveis atuais, feitos em uma fábrica. A equipe de Taira está, no entanto, trabalhando com uma grande empresa de velas e com a DENSO Corporation, um membro do Grupo Toyota.
Este trabalho é apoiado pela Agência Ciência e Técnica do Japão (JST).
Sobre CLEO
Com uma história distinta como principal evento do setor sobre a ciência laser, a Conferência sobre Lasers e Eletro-Óptica (CLEO) e a Conferência Científica Eletrônica Laser Quantum (QELS) é onde a tecnologia laser foi introduzida pela primeira vez. CLEO: 2011 unirá o campo de lasers e electro-óptica, reunindo todos os aspectos da tecnologia laser, com o conteúdo resultante da pesquisa básica à aplicação industrial. Patrocinado pela Sociedade Americana Fisica (APS) Divisão de Ciência Laser, do Instituto de Engenheiros Eletrônicos (IEEE) Sociedade Fotonica e da Sociedade Óptica (OSA), CLEO: 2011 fornece toda a gama de desenvolvimentos críticos no campo, mostrando os marcos mais significativos dos laboratórios para o mercado. Com uma amplitude sem precedentes e profunda cobertura, CLEO: 2011 conecta todos os mercados verticais críticos em lasers e eletro-óptica. Para mais informações, visite o site da conferência emcleoconference.org.
No passado, os lasers forte o suficiente para inflamar a mistura ar-combustível de um motor eram grandes demais para caber sob o capô de um automóvel. Na Conferência deste ano sobre Lasers e Electro Optics (CLEO: 2011), realizada em Baltimore do dia 1 a 6 de maio, pesquisadores do Japão descreveram o primeiro sistema laser multifeixe pequeno o suficiente para rosquear no cabeçote de um motor.
De igual importância, o novo sistema a laser é feito de cerâmica, e pode ser produzido de forma barata em grandes volumes, de acordo com um dos autores da apresentação, Takunori Taira do Instituto Nacional de Ciências Naturais do Japão.
A vela de ignição comum (esquerda) e a laser com três micro-feixes de saída para uma ignição multi-ponto (direita). Foto cedida Takunori Taira, Institutos Nacional de Ciências Naturais, Japão.De acordo com Taira, velas de ignição convencionais representam uma barreira para melhorar a economia de combustível e reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio (NOx), um componente chave do smog (smoke+fog / fumaça+neblina).
Velas de ignição trabalham enviando pequenas faiscas de alta tensão elétrica através de uma abertura entre dois eletrodos de metal. A faísca incendeia a mistura ar-combustível no cilindro do motor, produzindo uma explosão controlada que força o pistão para baixo até o fundo do cilindro, gerando a potência necessária para mover o veículo.
Motores fazem NOx um subproduto da combustão. Se os motores funcionarssem com uma mistura ar-combustível mais pobre - mais ar e menos combustível queimado - eles produzem emissões significativamente menores de NOx.
Lasers também melhoram a eficiência. Velas de ignição convencional no topo do cilindro apenas inflamam a mistura ar-combustível próximo a elas. O metal relativamente frio nas proximidades dos eletrodos e as paredes do cilindro absorvem o calor da explosão, extinguindo a chama logo que começa a se expandir.
Lasers, segundo Taira, podem concentrar seus raios diretamente no centro da mistura. Sem têmpera, a frente da chama se expande mais simetricamente e até três vezes mais rápido do que os produzidos pelas velas de ignição.
Igualmente importante, diz ele, lasers aplicam sua energia em nanossegundos, em comparação com milissegundos para velas de ignição. “Sincronia - combustão rápida - é muito importante. Quanto mais preciso momento, o mais eficiente a combustão é, e melhor economia de combustível”, diz ele.
Lasers prometem menos poluição e geram maior eficiência de combustível, mas produzir pequenos lasers poderosos tem sido até agora, difícil. Para inflamar uma combustão, um laser deve focalizar a luz em aproximadamente 100 gigawatts por centímetro quadrado, com pulsos curtos de mais de 10 milijoules cada.
“No passado, os lasers que podiam atender a esses requisitos eram limitados à pesquisas, porque eles eram grandes, ineficientes e instáveis”, diz Taira. Nem poderiam ser localizados longe do motor, porque seus poderosos raios destruiriam qualquer fibra ópticas que entrega o raio para os cilindros.
A equipe de pesquisa de Taira superou este problema fazendo lasers composto a partir de pós cerâmicos. A equipe aqueceu o pó para fundi-las em sólidos opticos transparentes e incorpora íons metálicos neles para ajustar suas propriedades.
Cerâmicas são mais fáceis de ajustar opticamente do que os cristais convencionais. Eles também são muito mais fortes, mais duráveis, e termicamente condutivo, para que eles possam dissipar o calor de um motor sem quebrar.
A equipe de Taira construiu o laser de dois segmentos de ítrio-alumínio e gálio (YAG), um dopado com neodímio, o outro com cromo. Eles uniram as duas partes para formar um poderoso laser apenas 9 milímetros de diâmetro e 11 milímetros de comprimento (um pouco menos de meia polegada).
O composto gera dois feixes de laser que podem incendiar combustíveis em dois locais distintos ao mesmo tempo. Isso produziria uma parede de chamas que cresce mais rápido e mais uniformemente do que um iluminado por um único laser.
O laser não é forte o suficiente para incandecer as misturas mais pobres de combustível com um único pulso. Usando vários pulsos longo de 800 picosegundos, no entanto, podem aplicar energia suficiente para inflamar a mistura completamente.
Um motor de automóvel comercial exigirá 60 Hz (ou sequências de pulsos por segundo), Taira diz. Ele já testou o novo de feixe laser duplo a 100 Hz. A equipe também está trabalhando em um laser de três feixes que irá permitir uma combustão ainda mais rápida e uniforme.
O sistema ignição a laser, apesar de altamente promissor, ainda não está sendo instalado em automóveis atuais, feitos em uma fábrica. A equipe de Taira está, no entanto, trabalhando com uma grande empresa de velas e com a DENSO Corporation, um membro do Grupo Toyota.
Este trabalho é apoiado pela Agência Ciência e Técnica do Japão (JST).
Sobre CLEO
Com uma história distinta como principal evento do setor sobre a ciência laser, a Conferência sobre Lasers e Eletro-Óptica (CLEO) e a Conferência Científica Eletrônica Laser Quantum (QELS) é onde a tecnologia laser foi introduzida pela primeira vez. CLEO: 2011 unirá o campo de lasers e electro-óptica, reunindo todos os aspectos da tecnologia laser, com o conteúdo resultante da pesquisa básica à aplicação industrial. Patrocinado pela Sociedade Americana Fisica (APS) Divisão de Ciência Laser, do Instituto de Engenheiros Eletrônicos (IEEE) Sociedade Fotonica e da Sociedade Óptica (OSA), CLEO: 2011 fornece toda a gama de desenvolvimentos críticos no campo, mostrando os marcos mais significativos dos laboratórios para o mercado. Com uma amplitude sem precedentes e profunda cobertura, CLEO: 2011 conecta todos os mercados verticais críticos em lasers e eletro-óptica. Para mais informações, visite o site da conferência emcleoconference.org.
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