Laser ignition of internal combustion engines : basic laser and ignition optics developments, engine application and optical diagnostics

Abstract

In this PhD thesis different fundamental aspects and the practical usability of a laser ignition system as a new, innovative and alternative ignition approach for internal combustion engines were investigated in great detail mainly experimentally. Especially for stationary, electricity producing gas engines on the one hand and direct injection IC engines in passenger cars and heavy duty truck engines on the other hand, a laser ignition system can offer tremendous advantages.<br />The basic principle of laser ignition is quite simple: a nanosecond pulsed laser has to be focused into the fuel-air mixture by a proper lens system via an appropriate window to obtain a laser-induced breakdown in the focal region which is consequently igniting the mixture.<br />Ignition experiments in two different combustion chambers under high pressure and elevated temperatures have been conducted. Different fuels like methane, hydrogen, biogas, isooctane and n-heptane were investigated. An extensive comparison between laser and conventional spark plug ignition has been made. The lean limit could be clearly expanded and the ignition delay was definitely shorter with laser ignition. Also the minimum breakdown energy in dependence of the initial temperature, numerical aperture (NA) and pressure with the help of an aspheric lens with a high NA was studied. High-speed Schlieren diagnostics of the different stages of the ignition have been conducted in the combustion chamber. The different stages like the ignition plasma within the first nanoseconds via the shock wave generation to the expanding flame kernel were investigated. With the help of multi-point ignition the combustion duration could be reduced significantly.<br />To reduce the spheric aberrations, different aspheric lens windows have been calculated, designed and successfully tested on IC engines for lowest ignition energies. Long term tests of different LW materials under atmospheric conditions and elevated temperature have been conducted in order to investigate the effect of laser energy density and plasma emissions on the window surface with respect to possible contamination or damage.<br />Beside the above described experiments, various tests in real IC engines have been made. The long term laser ignition performance of up to 200 h with different window materials like sapphire, fused silica, calcium fluoride and ALON has been tested on IC engines. Different sources of contamination of the window surface like laser-assisted deposition and too low window temperature have been identified. A comparison of separated and combined focusing optics with all their advantages and disadvantages has been carried out. Finally, first experiments with a longitudinally diode-pumped, fiber-coupled and passively Q-switched solid-state laser prototype system with maximum pulse energy of 1.5 mJ at about 1.5 ns pulse duration were performed which allowed to ignite the engine successfully over long test periods.<br />In cooperation with Lund University in Sweden, experiments have been performed on another engine test bed running in HCCI mode revealing the laser spark to be able to stimulate the auto-ignition process and to trigger the onset of combustion. By the use of different diagnostic methods the influence of the plasma on HCCI combustion was investigated.<br />With the help of a high-speed camera (up to 100 kHz) the flame front propagation and the triggered HCCI combustion following somewhat later, were documented.<br />In another international cooperation conducted with the Southwest Research Institute in Texas, U.S.A., the potential of laser ignition in combination with the so called HEDGE concept (highly efficient dilute gasoline engine) was studied. In this concept both, the advantages of the high efficiency of the diesel engine and the low emissions of the gasoline engine are combined in a modified gasoline engine with highest EGR rates of up to 50 %. One-point and three-point ignition experiments, representing the simplest cases of multi-point ignition in a combustion chamber and in an one cylinder research engine showed a clearly lower coefficient of variation of the induced mean effective pressure in comparison to different spark plugs.<br />As a final direction of the work for this PhD thesis, first calculations and experiments of a prototype ignition laser of an own design have been conducted. The concept of a longitudinally diode-pumped, fiber-coupled and passively Q-switched solid-state laser was chosen as the most promising one and so the following work concentrated on the design of such a system. In first theoretical calculations and corresponding measurements the properties of different laser components have been estimated. After only four months of planning and laboratory work, emitted pulse energy of 1.5 mJ within around 1.5 ns pulse duration was achieved easily allowing to generate a laser-induced breakdown in air with a high NA focusing lens.

Diese Arbeit soll die verschiedenen fundamentalen Aspekte und praktische Anwendbarkeit eines Laserzündsystems als neues, innovatives und alternatives Zündsystem für Verbrennungskraftmotoren untersuchen und darstellen. Ein Laserzündsystem hat speziell bei stationären Gasmotoren und direkt einspritzenden Ottomotoren im PKW- und LKW-Sektor beeindruckende Potentiale und Vorteile gegenüber einem konventionellen Zündkerzensystem. Das Prinzip der Laserzündung besteht darin, den Strahl eines vorzugsweise Nanosekunden gepulsten, gütegeschalteten Lasers mittels geeigneter Linsenoptik innerhalb eines brennbaren Gemisches so zu fokussieren, das dadurch das im Fokus entstehende Plasma das Gemisch entzündet.<br />Es wurden zahlreiche Zündexperimente in zwei verschiedenen Verbrennungsbehältern unter hohem Druck und erhöhter Temperatur durchgeführt. Verschiedene Brenngas-Luftgemische wie Methan, Wasserstoff, Biogas, Isooktan und n-Heptan wurden untersucht. Speziell mit Methan, welches der Hauptbestandteil von Erdgas ist (gebräuchlichstes Brenngas für Stationärmotoren), wurde ein umfangreicher Vergleich zwischen Laserzündung und konventioneller Zündkerzenzündung in einem Verbrennungsbehälter durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Magerzündgrenze mit Hilfe der Laserzündung eindeutig erweitert und der Zündverzug verkürzt werden konnte. Auch wurde die Abhängigkeit der minimalen Durchbruchsenergie von Druck, Temperatur und numerischen Apertur (NA) mit Hilfe einer asphärischen Linse mit einer hohen NA untersucht. Vom Plasmakern in den ersten Nanosekunden über die Schockwelle bis zum sich ausbreitenden Flammenkern - alle Stadien wurden mit Hilfe versch. Diagnostikmethoden beobachtet und charakterisiert. Mit Multi-Punkt-Laserzündungen konnte die Brenndauer signifikant reduziert werden.<br />Um die beim Fokussieren entstehenden sphärischen Abberationen zu minimieren wurden asphärische Linsenfenster berechnet und erfolgreich mit geringst möglichen Zündenergien an Verbrennungsmotoren getestet. Um den Effekt der Energiedichte am Fenster, hervorgerufen durch die hochenergetische Laserstrahlung, und Auswirkungen von auftretenden Zündplasma-Emissionen auf verschiedenen Linsenfenstermaterialien zu untersuchen, wurden Langzeittests unter Atmosphärenbedingungen und erhöhten Fenstertemperaturen durchgeführt.<br />Neben den Versuchen in den Verbrennungsbehältern wurden Experimente an verschiedenen Typen von Verbrennungsmotoren durchgeführt. Verschiedene Fenstermaterialien wie Quarz, Saphir, Kalziumfluorid und ALON wurden bei Langzeittests von bis zu 200 h im Verbrennungsmotor untersucht.<br />Verschiedene Verschmutzungsursachen wie laserunterstützte Beschichtung und eine zu geringe Fenstertemperatur wurden identifiziert. Abschließend wurden erste erfolgreiche lasergezündete Motortests mit über 100 h Testzeit mit einem longitudinal diodengepumpten, fasergekoppelten und passiv gütegeschalteten Festkörperlaser mit einer maximalen Pulsenergie von 1,5 mJ bei ca. 1,5 ns Pulsdauer durchgeführt.<br />In Kooperation mit der Lund University in Schweden wurden Experimente auf einem HCCI Motor durchgeführt und untersucht, ob ein laser-induziertes Plasma den Start der Selbstzündung steuern kann. Mit verschiedenen optischen Diagnosemöglichkeiten wurde der Einfluss des Laserplasmas auf die HCCI Verbrennung untersucht. Mit der Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera (bis zu 100Hz) wurde die Flammenfront und die folgende HCCI Verbrennung studiert.<br />In einer anderen internationalen Kooperation mit dem Southwest Research Institute in Texas, wurde experimentell das Potential der Laserzündung in Kombination mit dem so genannten HEDGE Konzept (highly efficient dilute gasoline engine) erforscht. In diesem Verbrennungskonzept mit Abgasrückführraten von bis zu 50% und mehr wird der hohe Wirkungsgrad eines Dieselmotors mit den geringen Emissionen eines Benzinmotors vereint. Bei Einpunkt-und Dreipunkt-Laserzündungen in einem Verbrennungsbehälter mit kombinierten Hochgeschwindigkeits Schlieren-Videos und einem Einzylinder-Forschungsmotor konnte eine eindeutig bessere Performance und erhöhte Motorlaufruhe gegenüber versch. Zündkerzenmodellen dargestellt werden.<br />Als abschließender Teil dieser Doktorarbeit wurden erste Abschätzungen, Berechnungen und darauf folgende Experimente an einem ersten, selbstgebauten Prototyp Zündlaser erfolgreich durchgeführt. Das Konzept eines longitudinal diodengepumpten, fasergekoppelten und passiv gütegeschalteten Festkörperlaser wurde als am aussichtsreichsten qualifiziert und alle darauf folgenden Arbeiten konzentrierten sich auf dieses System. In ersten theoretischen Berechnungen und Experimenten wurden die Eigenschaften der verschiedenen Laserkomponenten abgeschätzt und optimiert. Nach nur ca. 4 Monaten Planungs- und Experimentierdauer wurde eine Pulsenergie von 1,5mJ bei 1,5ns Pulsdauer erzielt, mit welcher es möglich war ein laser-induziertes Plasma unter atmosphärischen Bedingungen mit einer asphärischen Linse mit einer hohen NA zu erzeugen.