Laserzündung von Verbrennungsmotoren

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
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
Laserzündkerze
Ziel: Konzeption einer Laserzündkerze
Optische
Energieversorgung
Laserzündkerze
Laserzündkerze
Anforderungen:
Pulsenergie ≈ 5-10 mJ
Pulsdauer ≈ 1 ns
- einfach realisierbar
- robust
- kostengünstig
Ein solches System existiert bis heute
nicht auf dem Markt!
Î 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)
Laserzündkerze
•
•
Simulation Î Bereich der relevanten Parameter eingegrenzt
Experiment Î genaue Spezifikation der Parameter
Fine-tuning!
•
•
•
•
Ergebnisse:
2,1 mJ @ 1 ns (70 W Pumpleistung und ø 2 mm Kristall)
6,1 mJ @ 1 ns (300 W, ø 2 mm)
Status quo: > 15 mJ @ 1.5 ns (Pumpleistung > 600 W)
Laserzündkerze
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
Alternative Konzepte
Faserlaser: Laserpuls wird in der Faser erzeugt Î
aktive Medium ist kein Kristall sondern eine Glasfaser
welche mit dem „Laserionen“ (z.b. Nd3+) dotiert ist.
Der Vollständigkeit halber: Faserverstärker
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) Î dielektrischer Durchbruch an den
Faserendflächen.
Alternative Konzepte
Beispiel Faserschädigung:
Wie groß muss eine konventionelle Stufenindexfaser bemessen werden, dass ein
Zündpuls ohne Schädigung propagieren kann (Ep=10mJ, tp=1ns, Ithr,f=1 GW/cm²)?
Derzeitige Probleme der LZ
1. Fenster welches Brennraum und optische Komponenten trennt
-
Dichtheit bei hohen Drücken und Temperatur Î Konstruktive Maßnahmen
-
Ablagerungen durch Verbrennungsrückstände Î Durchlässigkeit des
Fensters
-
Material Î Kosten
2. Kosten des Gesamtsystems und wirtschaftlicher Nutzen
- Beispiel durchrechnen unter der Annahme, dass ein NettoWirkungsgradvorteil von 1% (Verbrauchsreduktion) erreicht wird.
Rahmenbedingungen 1 MW (elektrisch) Motor und 6000 h
Betriebsstunden pro Jahr
Derzeitige Probleme der LZ
Quelle: TU Wien
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