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Laserzündung Die stellt ein neuartiges Zündsystem für Verbrennungsmotoren dar dessen Prinzip darin besteht den Strahl ei

Laserzündung

Die Laserzündung stellt ein neuartiges Zündsystem für Verbrennungsmotoren dar, dessen Prinzip darin besteht, den Strahl eines gepulsten Lasers mittels geeigneter Linsenoptik innerhalb eines brennbaren Gemisches im Verbrennungsraum derart zu fokussieren, dass das entstehende Plasma das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und so eine herkömmlich Zündkerze ersetzen kann.

Vorteile der Laserzündung Bearbeiten

Der Grund für die Suche nach alternativen Zündquellen, insbesondere für stationäre Gasmotoren im MW-Leistungsbereich, liegt in dem Ziel, den immer strenger werdenden Emissionsrichtlinien gerecht zu werden und dem steigenden Primärenergieverbrauch entgegenzuwirken. Aus motortechnischer Sicht bedeutet das eine Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades bei einer möglichst stickoxidarmen Verbrennung des Brennstoffes. Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors steigt mit dem Verdichtungsverhältnis ε und der Luftzahl λ an. Eine Verbrennung unter Luftüberschuss (hohes λ) hat eine geringere Flammentemperatur und somit auch eine reduzierte NOx–Bildung zur Folge. Motoren, die dieses Konzept verfolgen, werden hochaufgeladene Magermotoren genannt.

Eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses impliziert gleichzeitig eine Erhöhung des Zünddruckes und dies hat bei konventionellen elektrischen Zündsystemen wiederum eine erhöhte Durchbruchspannung zur Folge. Diese, laut dem Paschen-Gesetz erhöhte Spannung resultiert in einer stärker ausgeprägten Elektrodenerosion, welche die Lebensdauer einer Kerze drastisch reduziert. Außerdem sind extrem magere Kraftstoffgemische ausgesprochen zündunwillig und benötigen daher geometrisch optimale Zündverhältnisse, die durch die elektrische Funkenzündung nicht gewährleistet werden können. In diesem Falle bietet die Laserzündung als neues innovatives Konzept gegenüber der konventionellen elektrischen Zündung eine Reihe vielversprechender Vorteile:

  • Zündung extrem magerer Gemische möglich → erniedrigte Flammentemperatur → Reduktion der NOx-Emissionen
  • Keine Elektroerosionseffekte an der Zündkerze → längere Lebensdauer
  • Höhere Verdichtungsverhältnisse möglich → Steigerung des Wirkungsgrades → Senkung des Verbrauchs
  • Beliebige Wahl des Fokus → in der Nähe des Zentrums des Verbrennungsraumes möglich um eine optimale Flammenentwicklung zu gewährleisten.
  • Keine Flammenauslöschungseffekte (Quenching) an den Elektroden der Zündkerze → Zündung magerer Gemische möglich.

Technische Anforderungen Bearbeiten

Die minimale Plasmaenergie, das Analogon zur Durchbruchspannung, nimmt mit steigendem Druck ab. Die Plasmabildung bei der Laserzündung basiert auf dem Phänomen des nicht-resonanten Durchbruches (d. h. die zu zündenden Gasgemische absorbieren die Laserstrahlung nicht), wofür optische Intensitäten von etwa 1011 W/cm2 notwendig sind. Im Allgemeinen kann eine solche Intensität durch Fokussierung von Pulsen mit Impulsenergien von einigen mJ und Impulsdauern von einigen ns erreicht werden. Um jedoch eine zuverlässige Entzündung des Gemisches zu garantieren, muss die Impulsenergie des Laserstrahls über der minimalen Zündenergie des Brennstoff-Luft Gemisches liegen. Im Detail gesehen, hängt die minimale Impulsenergie stark von der Temperatur und der Luftzahl ab und liegt in der Größenordnung von 8 bis 12 mJ.

Für eine zuverlässige Verbrennung müssen nun beide Bedingungen (Plasma- und Zündenergie) erfüllt sein. Der Zündlaser muss neben der zu fordernden Ausgangsleistung von über 10 mJ bei Dauern von ~1 ns auch in einer kompakten, robusten und kostengünstigen Ausführung gefertigt werden. Detaillierte Aspekte der Laserzündung und deren Anwendung finden sich in .

Weitere potenzielle Anwendungsgebiete der Laserzündung Bearbeiten

Laserzündung ist auch in der Raumfahrt für Lageregelungstriebwerke und Flüssigkeitsraketentriebwerke von großem Interesse, da derzeitige Zündsysteme auf selbstentzündlichen giftigen Treibstoffen wie Hydrazin oder Stickstofftetroxid basieren oder schwerer und komplexer sind aufgrund von zusätzlicher Treibstoffversorgung und Ventilen. Der Trend in Richtung „green propellants“ (z. B. Ethanol-Sauerstoff) impliziert ein Zündsystem. Aufgrund der elektromagnetischen Interferenz sind konventionelle elektrische nur bedingt interessant. Des Weiteren gibt es bereits Untersuchungen über Laserzündung von Gasturbinen.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. R. Knystautas, J. H. Lee: Laser spark ignition of chemically reactive gases. In: American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. Vol. 7(2), 1969, S. 312–317.
  2. J. D. Dale, P. R. Smy, R. M. Clements: Laser Ignited Internal Combustion Engines - An Experimental Study. SAE Technical Paper Series, Vol. 780329, (1978).
  3. P. D. Ronney: Laser versus conventional ignition of flames. In: Optical Engineering. Vol. 33(2), 1994, S. 510–521.
  4. ↑ H. Kopecek, H. Maier, G. Reider, F. Winter, E. Wintner: Laser ignition of methane-air mixtures at high pressures. In: Experimental Thermal and Fluid Science. Vol. 27, 2003, S. 499–503.
  5. ↑ G. Herdin: Gasmotoren: Potenziale und Zukunft. Proceedings of DVV Kolloquium, 2004.
  6. ↑ G. Herdin, J. Klausner, E. Wintner, M. Weinrotter, J. Graf, K. Iskra: Laser Ignition: A New Concept to Use and Increase the Potentials of Gas Engines. Proceedings of ASME, Ottawa, Canada, Vol. ICEF2005-1352, (2005), S. 1–9.
  7. M. Weinrotter, H. Kopecek, E. Wintner: Laser ignition of engines. In: Laser Physics. Vol. 15(7), 2005, S. 947–953.
  8. J. Tauer, H. Kofler, E. Wintner: Laser-initiated ignition. 2009, doi:10.1002/lpor.200810070.
  9. M. Lackner (Hrsg.): Lasers in Chemistry: Probing and Influencing Matter. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-31997-8, S. 1554.
  10. Michael Börner, Chiara Manfletti, Michael Oschwald: Laser Re-Ignition of a Cryogenic Multi-Injector Rocket Engine. 1. Juli 2015 (researchgate.net [abgerufen am 6. September 2016]).
  11. Matt Thomas, John Bossard, Jim Early, Huu Trinh, Jay Dennis: Laser Ignition Technology for Bi-Propellant Rocket Engine Applications. 1. Januar 2001 (nasa.gov [abgerufen am 7. September 2016]).
  12. Chiara Manfletti, Michael Börner, Gerhard Kroupa und Sebastian Soller: Ins All muss man erstmal kommen - Zukünftige Trägerraketen zünden mit Lasern. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Juni 2016, abgerufen am 6. September 2016.
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Die Laserzundung stellt ein neuartiges Zundsystem fur Verbrennungsmotoren dar dessen Prinzip darin besteht den Strahl eines gepulsten Lasers mittels geeigneter Linsenoptik innerhalb eines brennbaren Gemisches im Verbrennungsraum derart zu fokussieren dass das entstehende Plasma das Kraftstoff Luft Gemisch entzundet und so eine herkommlich Zundkerze ersetzen kann 1 2 3 4 5 Inhaltsverzeichnis 1 Vorteile der Laserzundung 2 Technische Anforderungen 3 Weitere potenzielle Anwendungsgebiete der Laserzundung 4 EinzelnachweiseVorteile der Laserzundung BearbeitenDer Grund fur die Suche nach alternativen Zundquellen insbesondere fur stationare Gasmotoren im MW Leistungsbereich liegt in dem Ziel den immer strenger werdenden Emissionsrichtlinien gerecht zu werden und dem steigenden Primarenergieverbrauch entgegenzuwirken Aus motortechnischer Sicht bedeutet das eine Erhohung des thermodynamischen Wirkungsgrades bei einer moglichst stickoxidarmen Verbrennung des Brennstoffes Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors steigt mit dem Verdichtungsverhaltnis e und der Luftzahl l an Eine Verbrennung unter Luftuberschuss hohes l hat eine geringere Flammentemperatur und somit auch eine reduzierte NOx Bildung zur Folge Motoren die dieses Konzept verfolgen werden hochaufgeladene Magermotoren genannt 5 6 Eine Erhohung des Verdichtungsverhaltnisses impliziert gleichzeitig eine Erhohung des Zunddruckes und dies hat bei konventionellen elektrischen Zundsystemen wiederum eine erhohte Durchbruchspannung zur Folge Diese laut dem Paschen Gesetz erhohte Spannung resultiert in einer starker ausgepragten Elektrodenerosion welche die Lebensdauer einer Kerze drastisch reduziert Ausserdem sind extrem magere Kraftstoffgemische ausgesprochen zundunwillig und benotigen daher geometrisch optimale Zundverhaltnisse die durch die elektrische Funkenzundung nicht gewahrleistet werden konnen In diesem Falle bietet die Laserzundung als neues innovatives Konzept gegenuber der konventionellen elektrischen Zundung eine Reihe vielversprechender Vorteile 4 6 7 Zundung extrem magerer Gemische moglich erniedrigte Flammentemperatur Reduktion der NOx Emissionen Keine Elektroerosionseffekte an der Zundkerze langere Lebensdauer Hohere Verdichtungsverhaltnisse moglich Steigerung des Wirkungsgrades Senkung des Verbrauchs Beliebige Wahl des Fokus in der Nahe des Zentrums des Verbrennungsraumes moglich um eine optimale Flammenentwicklung zu gewahrleisten Keine Flammenausloschungseffekte Quenching an den Elektroden der Zundkerze Zundung magerer Gemische moglich Technische Anforderungen BearbeitenDie minimale Plasmaenergie das Analogon zur Durchbruchspannung nimmt mit steigendem Druck ab Die Plasmabildung bei der Laserzundung basiert auf dem Phanomen des nicht resonanten Durchbruches d h die zu zundenden Gasgemische absorbieren die Laserstrahlung nicht wofur optische Intensitaten von etwa 1011 W cm2 notwendig sind Im Allgemeinen kann eine solche Intensitat durch Fokussierung von Pulsen mit Impulsenergien von einigen mJ und Impulsdauern von einigen ns erreicht werden Um jedoch eine zuverlassige Entzundung des Gemisches zu garantieren muss die Impulsenergie des Laserstrahls uber der minimalen Zundenergie des Brennstoff Luft Gemisches liegen Im Detail gesehen hangt die minimale Impulsenergie stark von der Temperatur und der Luftzahl ab und liegt in der Grossenordnung von 8 bis 12 mJ Fur eine zuverlassige Verbrennung mussen nun beide Bedingungen Plasma und Zundenergie erfullt sein Der Zundlaser muss neben der zu fordernden Ausgangsleistung von uber 10 mJ bei Dauern von 1 ns auch in einer kompakten robusten und kostengunstigen Ausfuhrung gefertigt werden Detaillierte Aspekte der Laserzundung und deren Anwendung finden sich in 8 9 Weitere potenzielle Anwendungsgebiete der Laserzundung BearbeitenLaserzundung ist auch in der Raumfahrt fur Lageregelungstriebwerke und Flussigkeitsraketentriebwerke von grossem Interesse 10 11 da derzeitige Zundsysteme auf selbstentzundlichen giftigen Treibstoffen wie Hydrazin oder Stickstofftetroxid basieren oder schwerer und komplexer sind aufgrund von zusatzlicher Treibstoffversorgung und Ventilen 12 Der Trend in Richtung green propellants z B Ethanol Sauerstoff impliziert ein Zundsystem Aufgrund der elektromagnetischen Interferenz sind konventionelle elektrische nur bedingt interessant Des Weiteren gibt es bereits Untersuchungen uber Laserzundung von Gasturbinen Einzelnachweise Bearbeiten R Knystautas J H Lee Laser spark ignition of chemically reactive gases In American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal Vol 7 2 1969 S 312 317 J D Dale P R Smy R M Clements Laser Ignited Internal Combustion Engines An Experimental Study SAE Technical Paper Series Vol 780329 1978 P D Ronney Laser versus conventional ignition of flames In Optical Engineering Vol 33 2 1994 S 510 521 a b H Kopecek H Maier G Reider F Winter E Wintner Laser ignition of methane air mixtures at high pressures In Experimental Thermal and Fluid Science Vol 27 2003 S 499 503 a b G Herdin Gasmotoren Potenziale und Zukunft Proceedings of DVV Kolloquium 2004 a b G Herdin J Klausner E Wintner M Weinrotter J Graf K Iskra Laser Ignition A New Concept to Use and Increase the Potentials of Gas Engines Proceedings of ASME Ottawa Canada Vol ICEF2005 1352 2005 S 1 9 M Weinrotter H Kopecek E Wintner Laser ignition of engines In Laser Physics Vol 15 7 2005 S 947 953 J Tauer H Kofler E Wintner Laser initiated ignition 2009 doi 10 1002 lpor 200810070 M Lackner Hrsg Lasers in Chemistry Probing and Influencing Matter Wiley VCH Weinheim 2008 ISBN 978 3 527 31997 8 S 1554 Michael Borner Chiara Manfletti Michael Oschwald Laser Re Ignition of a Cryogenic Multi Injector Rocket Engine 1 Juli 2015 researchgate net abgerufen am 6 September 2016 Matt Thomas John Bossard Jim Early Huu Trinh Jay Dennis Laser Ignition Technology for Bi Propellant Rocket Engine Applications 1 Januar 2001 nasa gov abgerufen am 7 September 2016 Chiara Manfletti Michael Borner Gerhard Kroupa und Sebastian Soller Ins All muss man erstmal kommen Zukunftige Tragerraketen zunden mit Lasern Deutsches Zentrum fur Luft und Raumfahrt e V DLR Juni 2016 abgerufen am 6 September 2016 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Laserzundung amp oldid 225973721