Laserzündung von Verbrennungsmotoren

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1 Laserzündung von Verbrennungsmotoren Was geschah bisher? -Idee der Laserzündung -Mechanismus und Vorteile der Laserzündung -Plasmabildung und Einflussgrößen (Exkurs: Laserstrahlung) Wir unterscheiden grob: Gaußscher Strahl (M²=1) Flat Top Profil (M²>1, Überlagerung mehrerer höheren Moden)

2 Wiederholung: Laserstrahlung Gaußscher Strahl (M²=1) Höhere Moden (M²>1) Gaußsche Näherung Flat-Top Näherung

3 Gaußsche Mode Wiederholung: Laserstrahlung

4 Laserplasma als Zündquelle Was ist ein Plasma? i) Feste Materie ii) Flüssigkeit iii) Gas iv) Plasma Steigende Temperatur Atome (=Kerne + Elektronen) werden zerissen und bewegen sich unabhänig voneinander (Stoßprozesse!!);

5 Plasmabildung: Mechanismus Elektronen im Fokus Elektronenwachstum t N e () t = N e,0exp τ e von 10 cm bis ca.10 cm Plasma

6 Plasmabildung: Schwelle für optischen Durchbruch Schwellwerte für Plasmabildung für Gase: GW/cm² Stark von Druck p und Wellenlänge l abhängig I thr = 1 1 mit n [0,1] n 2 p λ Für uns wichtig: Plasmaschwelle sinkt mit längerer Wellenlänge und steigendem Druck!

7 Beispiel 1 Plasmabildung 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? 2w 0 4 f = π D λ NA = D 2 f Quelle: Kofler (2009)

8 Beispiel 2 Plasmabildung Welche Intensität herrscht im Fokus vor, wenn man (a) einen homogenen Strahl und (b) einen Gaußschen Strahl betrachtet? Laserenergie 10 mj Pulsdauer 1 ns Fokusdurchmesser 15 µm

9 Plasmabildung: Schwellwerte für 1064 und 532 nm Druckabhängigkeit der Plasmaschwelle I thr = 1 p nm Strahlung hat einen höheren Schwellwert! (In Anlehnung an Theorie bei gleichem Fokusdurchmesser) Aber: 532 nm Strahlung läßt sich gemäß den Beziehungen der geometrischen Optik enger fokussieren 532 nm < 2 w 0 = 4 π f D λ

10 Plasmabildung: Absorption von Laserstrahlung in Plasmen Theorie: es existieren viele Modelle für den Absorptionskoeffizienten von Plasmen für geringen Ionisierungsgrad: Drude Theorie (klassische Beschreibung) α D 2 ω Pωc 2 cω 2 λ Für hohe Ionisierungsgrad: Inverse Bremsstrahlung Z N N ω α IB C λ 1 exp λ 1/2 TP k BTP 2 3 i e 3 Für unsere Betrachtung wichtig: Plasmaabsorption steigt mit der Wellenlänge! Anm.: Der Absorptionskoeffizient ist ein Maß wie viel Energie vom Plasma aufgenommen wird.

11 Beispiel Plasmaabsorption Georg behauptet, dass mit grünen Licht (532 nm) aufgrund der besseren Fokussierung viel effizienter Plasmen erzeugt werden können als mit infraroten Licht (1064 nm). Ernst argumentiert, dass aber infrarote Laserstrahlung vom Plasma besser absorbiert wird. Wer von den beiden hat Recht wenn gilt 2 I 1 thr 2 und α λ λ Was ändert sich wenn gilt 3 I 1 thr 2 und α λ λ Quantitative Erklärung reicht!! Weiterer Hinweiß: Oft ist die minimale Zündenergie höhere als die Plasmaenergie Was könnte man daraus schließen?

12 Plasmabildung: Transmission für 1064 und 532 nm Plasmabildung Steigung der Transmission 1) bei 1064 nm größer als der bei 532 nm! bessere Absorption der fundamentalen Wellenlänge von Nd:YAG Für praktische Anwendung E/MPE ~ 5-8 je nach Optik Transmission 1064 nm ~ 10-20% 1) Transmission = Durchstrahlen von Laserlicht vor Plasmabildung + Durchstrahlen von Laserlicht durch das bestehende Plasma (i.a.w. die Transmission läßt sich zeitlich aufspalten in T vorplasma und T plasma );

13 Plasmabildung: Streuung für 1064 und 532 nm 532 nm hat geringere Streuanteile als 1064 nm Strahlung; Generell: Streuverluste (3-5%) sind viel geringer als Transmissionsverluste (10-20%);

14 Minimale Zündenergie Optischer Funken, Plasma etc. Zündung Die Energie, welche an das Brennstoff-Luft Gemisch abgegeben wird, muss größer als die minimale Zündenergie sein! Beispiel: Plasmabildung in Luft und geeigneter Optik: 1 mj 1 ns, aber Minimale Zündenergie von Methan-Luft Gemischen: > 3 mj

15 Minimale Zündenergie Zündgrenzen Luftüberschuß, Luftzahl l xair x fuel λ = xair x fuel stoich

16 Minimale Zündenergie Gemessene Zündenergien in der Verbrennungsbombe Quelle: Kofler, Schwecherl (TU Wien) MIE =f (Druck, Temperatur, Luftzahl) MIE =f (Druck, Temperatur, Luftzahl, Strömungsverhältnisse) Quelle: Huang et al, Proc.Comb.Inst.31(1), (2007) Beobachtungen: Min. Zündenergie steigt mit dem Turbulenzgrad; Simulation sehr komplex und aufwendig Messungen am Motor!

17 Übersicht Plasmabildung Zündung

18 Wie funktioniert ein Laser? Elektronen bleiben auf dem Niveau 2 liegen (Inversion der Elektronenbesetztung). Der Übergang erster Elektronen vom Niveau 2 zum Niveau 1 löst die stimulierte Emission aus und Photonen werden emittiert. Emission von Photonen mit gleicher Frequenz, Richtung, Polarisation = LASERSTRAHLUNG

19 Ziel: Konzeption einer Laserzündkerze Laserzündkerze Optische Energieversorgung Laserzündkerze

20 Laserzündkerze Anforderungen: Pulsenergie 5-10 mj Pulsdauer 1 ns - einfach realisierbar - robust - kostengünstig Ein solches System existiert bis heute nicht auf dem Markt! Start der Eigenentwicklung (09/2005) Diodengepumpter Festkörperlaser mit passiver Güteschaltung Komponenten des Lasersystems: - Kristall (Nd:YAG) - Passiver Güteschalter (Cr:YAG) - Resonatorspiegel - Einkoppeloptik - Pumpfaser (Standard-Glasfaser) - Pumpdiode (Halbleiterlaser)

21 Laserzündkerze Simulation Bereich der relevanten Parameter eingegrenzt Experiment genaue Spezifikation der Parameter Fine-tuning! Ergebnisse: 2,1 1 ns (70 W Pumpleistung und ø 2 mm Kristall) 6,1 1 ns (300 W, ø 2 mm) Status quo: > ns (Pumpleistung > 600 W)

22 Laserzündkerze

23 Ausblick auf die letzte Vorlesung Alternative Konzepte zur Laserzündkerze Probleme der Laserzündung Prüfung

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