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) -Verlustmechanismen von Plasmen (Transmission und Streuung) - Zündung und minimale Zündenergie -Unterschied minimale Plasmaenergie und minimale Zündenergie -Funktion Laser -Funktion gepulster Laser -Laserzündkerze Heute: -Alternative Konzepte der Laserzündung -Probleme der Laserzündung

2 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

3 Ziel: Konzeption einer Laserzündkerze Laserzündkerze Optische Energieversorgung Laserzündkerze

4 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)

5 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)

6 Laserzündkerze

7 Was sind alternative Konzepte zur LZK? Problem der Laserzündkerze: Wir am Zylinderkopf montiert und ist somit allen (schlechten) Bedingungen am Motor ausgesetzt z.b. Temperatur und Vibrationen Idee: Laserpuls wird extern generiert und über eine Faser zum Verbrennungsraum geleitet

8 Alternative Konzepte Faserlaser: Laserpuls wird in der Faser erzeugt aktive Medium ist kein Kristall sondern eine Glasfaser welche mit dem Laserionen (z.b. Nd 3+ ) dotiert ist. Der Vollständigkeit halber: Faserverstärker

9 Alternative Konzepte Was könnte das Problem beim Fasertransport sein? Zündpuls muss in Luft einen optischen Durchbruch schaffen und aber vorher durch eine Faser geleitet werden. Hohe Intensitäten verursachen Schäden (=in Luft will man ein Plasma und in der Faser nicht) dielektrischer Durchbruch an den Faserendflächen.

10 Alternative Konzepte Beispiel Faserschädigung: Wie groß muss eine konventionelle Stufenindexfaser bemessen werden, dass ein Zündpuls ohne Schädigung propagieren kann (E p =10mJ, t p =1ns, I thr,f =1 GW/cm²)?

11 Derzeitige Probleme der LZ 1. Fenster welches Brennraum und optische Komponenten trennt - Dichtheit bei hohen Drücken und Temperatur Konstruktive Maßnahmen - Ablagerungen durch Verbrennungsrückstände Durchlässigkeit des Fensters - Material Kosten 2. Kosten des Gesamtsystems und wirtschaftlicher Nutzen - Beispiel durchrechnen unter der Annahme, dass ein Netto- Wirkungsgradvorteil von 1% (Verbrauchsreduktion) erreicht wird. Rahmenbedingungen 1 MW (elektrisch) Motor und 6000 h Betriebsstunden pro Jahr

12 Quelle: TU Wien Derzeitige Probleme der LZ

13 Was wird für die Prüfung am Donnerstag (16:00) wichtig sein? Mechanismus und Vorteile der Laserzündung Beispiel thermodynamischer Wirkungsgrad Wovon hängt die Plasmabildung ab bzw. welche Größen beeinflussen die minimale Plasmaenergie? Beispiel Plasmabildung Wie beeinflusst die Wellenlänge die Plasmabildung? Was sind die Verlustmechanismen von Plasmen und was sind die zentralen Aussagen? Durch welche Größen wird die minimale Zündenergie (wie) beeinflusst? (Diagramme!) Erklären Sie das Prinzip der Laserzündkerze (Schema, Skizze, Eckdaten) Welche alternativen Konzepte kennen Sie und was sind deren Probleme? Beispiel Faserschädigung