Beiträge zur Entwicklung der Laserfunken-Zündung von Ottomotoren : Plasmacharakterisierung, Analyse von Brennraumfenster-Ablagerungen und kombinierte Laser-Funkenzündung

Abstract

Die Laserfunken-Erzeugung zur Zündung von Brenngasen erfolgt mittels fokussierter, intensiver Laserstrahlung (> 10¹¹ W/cm²) mit typischerweise etwa 1 mJ Energie und wenigen Nanosekunden Pulsdauer. Es werden Simulationsergebnisse vorgestellt, aus welchen die wesentlichen Unterschiede eines Laserfunkens gegenüber einem elektrischen Zündfunken ersichtlich werden: Die negativ proportionale Druckabhängigkeit des optischen Durchbruchs, das Plasmawachstum zur Einfallsrichtung des Lasers sowie die gegenüber der konventionellen Funkenzündung vielfach höheren Temperaturen. Das Brennraumfenster für die Laserlichteinkopplung zum Zündort gilt als Schlüsselelement für die motorische Laserzündung. Transmissionsmindernde Rückstände aus dem Verbrennungsprozess wurden mittels energiedispersiver Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDXS) und Elektronenmikroskopie (REM) analysiert. Bei ausreichend hoher Oberflächentemperatur über 400°C stellt das teilweise mitverbrannte Motoröl die Hauptquelle der verbleibenden anorganischen Ablagerungen dar. Kohlenstoffhaltige Ablagerungen können mit ausreichender Energieflußdichte vom Zündlaser selbst abgetragen werden. Bei Untersuchungen an einem Fensterprüfstand mit Brennraumfenstern unter Temperaturen über 340°C lag die Ablationsschwelle für motorölbedingte Ablagerungen um 0,75 mJ/mm². Als Erstmaßnahme zur Fensterreinhaltung wurde daher die Laserreinigung an einem 1,8 kW Motor mit hohem Ölverbrauch demonstriert. Laserpulse mit Energieflußdichten um 10 mJ/mm² hielten das Brennraumfenster im Laserdurchtritt frei von sämtlichen Ablagerungen. Das Konzept der kombinierten Laser-Funkenzündung wurde vorgestellt.<br />Dabei wird ein kostengünstig realisierbarer Laserfunke um 1 mJ zwischen die Spannung führenden Elektroden einer Zündkerze gesetzt und dadurch eine elektrische Entladung deutlich unterhalb der Durchbruchspannung (< 80%) für den selbständigen Funkenüberschlag erzeugt. Das Funktionsprinzip wurde in einer Verbrennungskammer mit verschiedenen Elektrodengeometrien und Lasereinfallsrichtungen unter Verdichtungsverhältnissen wie im Motor getestet. CH4/Luft-Gemische mit der Luftüberschußzahl > 2 wurden unter einer absoluten Spannungsreduktion von 4 kV kombiniert gezündet.<br />

An ignition laser spark within a gaseous medium is generated by a sharply focussed intense laser pulse above 10¹¹ W/cm² (typically 1 mJ within some nanoseconds). That optical breakdown is advantageous at high pressures in comparison with the electrical breakdown. A first model of laser plasma formation made the plasma growth towards the direction of the laser influence visible. The resulting simulated sparks have a high temperature above 100,000 K. Optical access to the engine combustion chamber principally is already solved by well designed optical adapters. There are no carbonaceous, transmission reducing residues with high mean window temperatures well above 400°C. The techniques energy dispersive X-ray fluorescence spectroscopy (EDXS) and scanning electron microscopy (SEM) have been applied to analyze used windows. The lubricant oil was identified as main substance source of inorganic deposits irrespective highest possible temperatures. Experiments on a small engine test rig have shown that all compounds deriving from the lubricant oil can be ablated by the ignition laser itself. Ablation thresholds at sapphire windows with temperatures above 340°C were about 0.75 mJ/mm². Laser cleaning was demonstrated in a 1.8 kW 4-stroke internal combustion engine. The optical pass-through kept essentially free of deposits provided the energy fluence was around 10 mJ/mm². A hybrid ignition system was considered combining the advantages of both laser and conventional ignition. An affordable 1 mJ laser spark causes an electric breakdown well below the self-discharge voltage (< 80%).<br />Different geometric relations between the electrodes and the incoming laser beam were tested in a static combustion chamber. CH4/air mixtures with an air to fuel ratio > 2 could be ignited exclusively by the combined action of the laser and the voltage supply at an absolute ignition voltage reduction of 4 kV.