Laser tenning

Den laser tenning tilveiebringer en ny tenningssystem for forbrenningsmotorer er, hvis prinsipp er strålen av en pulset laser ved hjelp av egnede linseoptikk innenfor en brennbar blanding i forbrenningskammeret i en slik fokus at det resulterende plasma , det drivstoff - luftblandingen antennes og erstatte en slik konvensjonell tennplugg kan.

Fordeler med lasertenning

Årsaken til søket etter alternative antenningskilder , spesielt for stasjonære bensinmotorer i MW-utgangsområdet, ligger i målet om å oppfylle de stadig strengere retningslinjene for utslipp og motvirke det økende forbruket av primærenergi. Fra et motorsynspunkt betyr dette en økning i den termodynamiske effektiviteten med forbrenning av drivstoffet med så lite nitrogenoksid som mulig. Effektiviteten til en forbrenningsmotor øker med kompresjonsforholdet ε og luftforholdet λ. Forbrenning med overflødig luft (høy λ) resulterer i en lavere flamtemperatur og dermed også redusert NO x- dannelse . Motorer som følger dette konseptet kalles superladede lean-burn motorer.

En økning i kompresjonsforholdet innebærer også en økning i tenningstrykket , noe som igjen resulterer i en økt sammenbruddsspenning i konvensjonelle elektriske tenningssystemer. I følge Paschen-Back-loven resulterer denne økte spenningen i mer uttalt elektrodeerosjon, noe som drastisk reduserer levetiden til et lys. I tillegg er ekstremt magre drivstoffblandinger ekstremt uvillige til å antenne og krever derfor geometrisk optimale tenningsforhold, noe som ikke kan garanteres ved elektrisk gnisttenning. I dette tilfellet tilbyr lasertenning som et nytt, innovativt konsept en rekke lovende fordeler i forhold til konvensjonell elektrisk tenning :

  • Antenning av ekstremt magre blandinger mulig → lavere flamtemperatur → reduksjon av NO x- utslipp
  • Ingen elektriske erosjonseffekter på tennpluggen → lengre levetid
  • Høyere kompresjonsforhold mulig → økning i effektivitet → lavere forbruk
  • Ethvert valg av fokus → i nærheten av sentrum av forbrenningskammeret mulig for å sikre optimal flammeutvikling.
  • Ingen flammeutslettingseffekter (slukking) på tennpluggelektrodene → antenning av magre blandinger mulig.

tekniske krav

Minimum plasmaenergi, analog med nedbrytningsspenningen, synker med økende trykk. Plasma formasjon under laser tenning er basert på fenomenet med ikke-resonant nedbrytning (dvs. gassblandinger som skal antennes ikke absorberer laserstrålingen), hvor det optiske intensiteter på ca. 10 11 W / cm 2, er nødvendig. Generelt kan en slik intensitet oppnås ved å fokusere pulser med pulsenergier på noen få mJ og pulsvarigheter på noen få ns. For å garantere pålitelig antenning av blandingen, må imidlertid pulsenergien til laserstrålen være over minimum antennelsesenergi for drivstoff-luftblandingen. Sett i detalj, avhenger den minimale pulsenergien sterkt av temperaturen og luftforholdet og er i størrelsesorden 8 til 12 mJ.

Begge forholdene (plasma og tenningsenergi) må nå være oppfylt for pålitelig forbrenning. I tillegg til den nødvendige utgangseffekten på over 10 mJ med en varighet på ~ 1 ns, må tenningslaseren også være produsert i et kompakt, robust og kostnadseffektivt design. Detaljerte aspekter ved lasertenning og anvendelse av dem finner du i.

Andre potensielle bruksområder for lasertenning

Lasertennelse er også av stor interesse for romfart for holdningskontrollpropeller og flytende rakettmotorer, da dagens tenningssystemer er basert på selvantennelige giftige drivstoff som hydrazin eller nitrogentetroksid eller er tyngre og mer komplekse på grunn av ekstra drivstoffforsyning og ventiler. Trenden mot "grønne drivmidler" (f.eks. Etanol - oksygen ) innebærer et tenningssystem. På grunn av den elektromagnetiske forstyrrelsen er konvensjonelle elektriske systemer av begrenset interesse. Videre er det allerede studier om lasertenning av gasturbiner .

Individuelle bevis

  1. ↑ R. Knystautas, JH Lee: Laser gnist tenning av kjemisk reaktiv gass. I: American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal. Bind 7 (2), 1969, s. 312-317.
  2. ↑ JD Dale, PR Smy, RM Clements: Laser Ignited Internal forbrenning Motors - En eksperimentell studie. SAE Technical Paper Series, Vol. 780329, (1978).
  3. ^ PD Ronney: Laser kontra konvensjonell tenning av flammer. I: Optisk ingeniørfag. Vol. 33 (2), 1994, s. 510-521.
  4. ↑ a b H. Kopecek, H. Maier, G. Reider, F. Winter, E. Wintner: Lasertennelse av metan-luft-blandinger ved høyt trykk. I: Eksperimentell termisk og væskevitenskap. Vol. 27, 2003, s. 499-503.
  5. ↑ a b G. Herdin: Bensinmotorer : Potensialer og fremtid. Proceedings of DVV Colloquium, 2004.
  6. ^ A b G. Herdin, J. Klausner, E. Wintner, M. Weinrotter, J. Graf, K. Iskra: Laser Ignition: A New Concept to Use and Øk Potentials of Gas Engines. Proceedings of ASME, Ottawa, Canada, Vol. ICEF 2005-1352, (2005), s. 1-9.
  7. ↑ M. Weinrotter, H. Kopecek, E. Wintner: Laser tenning av motorer. I: Laserfysikk. Vol. 15 (7), 2005, s. 947-953.
  8. ↑ J. Tauer, H. Kofler, E. Wintner: Laserinitiert tenning. 2009, doi: 10.1002 / lpor.200810070 .
  9. ↑ M. Lackner (red.): Lasere i kjemi: sondering og påvirkning av saken. 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 [åpnet 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 [åpnet 7. september 2016]).
  12. ↑ Chiara Manfletti, Michael Börner, Gerhard Kroupa og Sebastian Soller: Du må komme ut i rommet først - fremtidige bæreraketter antennes med lasere. German Aerospace Center (DLR), juni 2016, åpnet 6. september 2016 .