Laserzündung

Die Laserzündung stellt ein neuartiges Zündsystem 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. ^{[1][2] [3] [4][5]}

Laserzündung von Verbrennungsmotoren

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.^[5][6]

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-Back-Gesetz erhöhte Spannung resultiert in einer stärker ausgeprägten Elektrodenerosion, welche die Lebensdauer einer Kerze drastisch reduziert. Weiters 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 viel versprechender Vorteile:^{[4][6] [7]}

• Zündung extrem magerer Gemische möglich → erniedrigte Flammentemperatur → Reduktion der NOx-Emissionen
• Keine Erosionseffekte 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.

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 Pulsenergien von einigen mJ und Pulsdauern von einigen ns erreicht werden. Um jedoch eine zuverlässige Entzündung des Gemisches zu garantieren sind, muss die Pulsenergie des Laserstrahls über der minimalen Zündenergie des Brennstoff-Luft Gemisches liegen. Im Detail gesehen, hängt die minimale Pulsenergie stark von der Temperatur und der Luftzahl ab und liegt in der Größenordnung von 8-12 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. Detaillierter Aspekte der Laserzündung und deren Anwendung finden sich in ^{[8] [9]}.

Weitere potenzielle Anwendungsgebiete der Laserzündung

Laserzündung könnte auch in der Raumfahrt, speziell für Lageregelungstriebwerke von großem Interesse sein, da derzeitige Zündsysteme auf selbstentzündlichen giftigen Treibstoffen basieren. 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

1. ↑ R. Knystautas and J.H. Lee, "Laser spark ignition of chemically reactive gases", American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, Vol. 7(2), 312-317, (1969).
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", Optical Engineering, Vol. 33(2), 510-521, (1994).
4. ↑ ^{a b} H. Kopecek, H. Maier, G. Reider, F. Winter, E. Wintner, "Laser ignition of methane-air mixtures at high pressures", Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 27, 499-503, (2003).
5. ↑ ^{a b} G. Herdin. "Gasmotoren: Potenziale und Zukunft", Proceedings of DVV Kolloquium, (2004).
6. ↑ ^{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, 1-9, (2005).
7. ↑ M. Weinrotter, H. Kopecek, E. Wintner, "Laser ignition of engines", Laser Physics, Vol. 15(7), 947-953, (2005).
8. ↑ J. Tauer, H. Kofler, E. Wintner (2009) Laser-initiated ignition. DOI: 10.1002/lpor.200810070.
9. ↑ M. Lackner, ed. Lasers in Chemistry: Probing and Influencing Matter. 2008, Wiley-VCH: Weinheim, pp. 1554, 978-3-527-31997-8