laserzündung von verbrennungsmotoren lva nr....
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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
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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!