Laserzündung von Verbrennungsmotoren LVA Nr Johannes Tauer Prof. Ernst Wintner

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1 Laserzündung von Verbrennungsmotoren LVA Nr Johannes Tauer Prof. Ernst Wintner

2 Übersicht über die Vorlesung 1. Einführung in Verbrennungskraftmaschinen 2. Der Otto-Prozess 3. Warum Laserzündung? 4. Laser - induzierte Plasmen als Zündquelle 5. Minimale Plasmaenergie und minimale Zündenergie 6. Grundlagen der Lasertechnik 7. Konzepte der Laserzündung 8. Probleme und Stand der Technik 9. Ausblick Freitag, Idee der Laserzündung Grundlagen VKM Thermodynamischer Wirkungsgrad Einfluss- und Kenngrößen Vorteile der Laserzündung Anwendungsgebiete

3 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 Aeronautics and Astronautics Journal, Vol. 7(2), , (1969).

4 Wie funktioniert Laserzündung? Druck bestimmt Plamaschwelle (~ 100 GW/cm²) Druck, Temperatur, Luftüberschuß und Strömungsverhältnisse bestimmen die minimale Pulsenergie des Lasers;

5 Exkurs: Otto-Kreisprozess Ottoprozess ist der Vergleichsprozess eines Benzin oder Gasmotors; Vereinfachte Darstellung des 4-Takt Ottomotors im p-v Diagramm

6 Exkurs: Otto-Kreisprozess Verdichtungsverhältnis Kreisprozess im p-v Diagramm Thermodynamischer Wirkungsgrad 1 η th = 1 ε κ 1

7 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 - Wirkungsgrad vs. l und e: l Zwei (Teil-) Ziele der Motorenentwicklung: - Höhere Mitteldrücke (durch v.a. höheres e) - Magermotoren (spez. Großgasmotoren) Quelle: Pischinger

8 Warum Laserzündung? Zündkerze fällt aus Quelle: G. Herdin, GE Jenbacher Höhere Mitteldrücke höhere Zündspannungen (Paschen-Back Gesetz) Zündspannung steigt mit den Motorbetriebsstunden

9 Warum Laserzündung? Quelle: TU Wien & Warnatz et al Reduktion der thermischen NO X Bildung durch Flammenkühlung hoher Luftüberschuss Magermotoren; Derzeitige Großgasmotoren λ~1.75 (Limitation: Zündkerze u. HC Emissionen)

10 Warum Laserzündung? Anforderung: Höhere Mitteldrücke Magere Gemische Längere Wartungsintervalle Anstieg Wirkungsgrad Reduktion der Emissionen Weniger Verschleiß (Elektroden) 1 η th = 1 ε κ 1 Quelle: Pischinger Reduktion der Kosten! (Betriebskosten)

11 Warum Laserzündung? Konventionelle Zündkerzen Reduktion Lebensdauer durch hohe Zündspannung und Erosion Zündaussetzer bei Magergemischen Quelle: F. Paschen. Weid. Annalen der Physik, vol. 37, 1889 Quelle: TU Wien Ein optisches Zündsystem stellt eine viel versprechende Alternative, speziell für Hochaufladung und Magergemische, dar. Plasma (=Zündfunke)

12 Vorteile Laserzündung Ups! Höhere Zünddrücke möglich Steigerung Wirkungsgrad; Zündung von mageren Gemischen durch geringeren Zündverzug niedrigere Flammentemperaturen Reduktion der thermischen NO X 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;

13 Zündung von Magergemischen Allg. gilt: je magerer (verdünnter) das Brennstoff- Luft Gemisch, desto länger wird die Brenndauer Magermotoren:. λ 0,2 Quelle: TU Wien Laserzündung Durch den kürzeren Zündverzug können magere Gemische mit vernünftiger Gesamtbrenndauer gezündet werden Keine Quenching Effekte!

14 Exkurs: Laserstrahl Was ist ein Laserstrahl? Auszeichnende Eigenschaften eines Laserstrahls: nahezu eine Wellenlänge (Farbe) monochromatisch Sehr hohe Kohärenzlänge. Ausbreitung von Laserstrahlen I(z) Räumliche Verteilung der Intensität I(r) Single mode Single mode Higher order modes

15 Exkurs: Laserstrahl Gaußsches Profil (Strahl): Laser arbeitet in der Grundmode (TEM 00) Flat-top Profil: Laser arbeitet mit höheren Moden (>> TEM 00) I 0 2P = = A 2I M Flat top Profil I M Gaußsches Profil

16 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 Fokussierung von Laserstrahlen (Näherung, aber für uns ok ) 2w ' f = M π D λ Brennweite Linse Quality factor Wellenlänge Laser Fokusdurchmesser Durchmesser Laserstrahl vor Linse bzw. Linsendurchmesser

17 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!!);

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

19 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!

20 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)