Laserzündung von Verbrennungsmotoren

LVA Nr. 387.055

Johannes Tauer

Prof. Ernst Wintner

Übersicht über die Vorlesung

1. Einführung in Verbrennungskraftmaschinen2. Der Otto-Prozess3. Warum Laserzündung?4. Laser - induzierte Plasmen als Zündquelle 5. Minimale Plasmaenergie und minimale Zündenergie 6. Grundlagen der Lasertechnik7. Konzepte der Laserzündung8. Probleme und Stand der Technik9. Ausblick Freitag, 11.12.2009

•Idee der Laserzündung

•Grundlagen VKM

•Thermodynamischer Wirkungsgrad

•Einfluss- und Kenngrößen

•Vorteile der Laserzündung

•Anwendungsgebiete

Idee der Laserzündung

Konventionelle (elektrische) Zündkerze wird durch einen gepulsten Laser ersetzt. R. Knystautas and J.H. Lee, "Laser spark ignition of chemically reactive gases", American Institute of Aeronauticsand Astronautics Journal, Vol. 7(2), 312-317, (1969).

Wie funktioniert Laserzündung?

Druck, Temperatur, Luftüberschuß undStrömungsverhältnisse

bestimmen die minimale Pulsenergie des Lasers;

Druck bestimmt Plamaschwelle(~ 100 GW/cm²)

Exkurs: Otto-Kreisprozess

Ottoprozess ist der Vergleichsprozess eines Benzin – oder Gasmotors;

Vereinfachte Darstellung des 4-Takt Ottomotors im p-V Diagramm

Exkurs: Otto-Kreisprozess

Verdichtungsverhältnis Kreisprozess im p-V Diagramm

1

11th κηε −= −Thermodynamischer Wirkungsgrad

Exkurs: Otto-Kreisprozess

p-V Diagramm ist nur eine Näherung – eine Reihe von Effekten des Realmotors bleibt unberücksichtigt:

- reine Ladung- gleiches Luftverhältnis wie der wirkliche Motor - vollständige Verbrennung - wärmedichte Wandungen- keine Strömungs- und Ladungswechselverluste- …

l Zwei (Teil-) Ziele der Motorenentwicklung:

- Höhere Mitteldrücke (durch v.a. höheres e)

- Magermotoren (spez. Großgasmotoren)

Wirkungsgrad vs. l und e:

Quelle: Pischinger

Warum Laserzündung?

Quelle: G. Herdin, GE Jenbacher

Zündkerze fällt aus

•Höhere Mitteldrücke höhere Zündspannungen (Paschen-Back Gesetz)

•Zündspannung steigt mit den Motorbetriebsstunden

Warum Laserzündung?

•Reduktion der thermischen NOX Bildung durch Flammenkühlung hoher Luftüberschuss Magermotoren;

•Derzeitige Großgasmotoren λ~1.75 (Limitation: Zündkerze u. HC Emissionen)

Quelle: TU Wien & Warnatz et al

Warum Laserzündung?

Anforderung:

•Höhere Mitteldrücke

•Magere Gemische

•Längere Wartungsintervalle

Anstieg Wirkungsgrad

Reduktion der Emissionen

Weniger Verschleiß(Elektroden)

Quelle: Pischinger

Reduktion der Kosten!(Betriebskosten)

1

11th κηε −= −

Konventionelle ZündkerzenReduktion Lebensdauer durch hohe

Zündspannung und Erosion Zündaussetzer bei Magergemischen

Ein optisches Zündsystem stellt eine viel versprechende Alternative, speziell für Hochaufladung und Magergemische, dar.

Plasma (=Zündfunke)

Quelle: TU WienQuelle: F. Paschen. Weid. Annalen der Physik, vol. 37, 1889

Warum Laserzündung?

Vorteile Laserzündung

Höhere Zünddrücke möglich Steigerung Wirkungsgrad;

Zündung von mageren Gemischen durch geringeren Zündverzug niedrigere Flammentemperaturen Reduktion der thermischen NOX Bildung;

Weniger Verschleißerscheinungen aufgrund fehlender Elektroden Reduziert Wartungsaufwand;

Effektivere Energieabgabe von Plasma an das Brennstoff-Luft Gemisch (keine Quenching Effekte);

Ort des Zündfunkens kann fast frei gewählt werden;

Ups!

Zündung von Magergemischen

∆λ≈0,2Quelle: TU Wien

Allg. gilt: je magerer (verdünnter) das Brennstoff-Luft Gemisch, desto länger wird die Brenndauer

Laserzündung

•Durch den kürzeren Zündverzug können magere Gemische mit „vernünftiger“ Gesamtbrenndauer gezündet werden

•Keine Quenching Effekte!

Magermotoren: ….

Exkurs: Laserstrahl

Was ist ein Laserstrahl?

Auszeichnende Eigenschaften eines Laserstrahls:

•nahezu eine Wellenlänge (Farbe) – monochromatisch

•Sehr hohe Kohärenzlänge

•….

Räumliche Verteilung der Intensität I(r)Ausbreitung von Laserstrahlen I(z)

Single mode

Single mode Higher order modes

Exkurs: Laserstrahl

MI

Gaußsches Profil (Strahl): Laser arbeitet in der Grundmode (TEM 00)

Flat-top Profil: Laser arbeitet mit höheren Moden (>> TEM 00)

Flat – top Profil

Gaußsches Profil

02 2 MPI IA

= =

Exkurs: Laserstrahl

Konsequenzen:

Gaußsche Strahlen („perfekter Strahl“) – läßt sich kleinstmöglich fokussieren

M²=1

Flat – Top Profile entstehen durch die Überlagerung mehrerer höheren Moden

M²>1

0

' 242 fw MDλ

π=

Fokussierung von Laserstrahlen (Näherung, aber für uns ok…)

Fokusdurchmesser Durchmesser Laserstrahl vor Linse bzw. Linsendurchmesser

Brennweite Linse

Wellenlänge Laser

„Quality factor“

Laserplasma als Zündquelle

Was ist ein Plasma? i) Feste Materie

ii) Flüssigkeit

iii) Gas

iv) Plasma

Atome (=Kerne + Elektronen) werden zerissen und bewegen sich „unabhänig“voneinander (Stoßprozesse!!);

Ste

igen

de T

empe

ratu

r

Plasmabildung: Mechanismus

Elektronen im Fokus

Elektronenwachstum

Plasma

( ) ,0e

3 -3 19 -3

texp

von 10 cm bis ca.10 cm

e eN t Nτ

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

Plasmabildung: Schwelle für optischen Durchbruch

Schwellwerte für Plasmabildung für Gase: 50-500 GW/cm²Stark von Druck p und Wellenlänge l abhängig

2

1 1 m it [0,1]thr nI np λ

= ∈

Für uns wichtig: Plasmaschwelle sinkt mit längerer Wellenlänge und steigendem Druck!

Beispiel 1 Plasmabildung

2DNAf

=

Welche Laserenergie (1064 nm) wird benötigt um in Stickstoff bei einem Druck von 0.5 bar ein Plasma zu erzeugen, wenn eine Linse mit einer numerischen Arpertur von NA=0.5 verwendet wird?

Quelle: Kofler (2009)

042 fw

Dλ

π=