Impulskettenzündung mit passiv gütegeschalteten Laserzündkerzen unter motorischen Bedingungen

Titelangaben

Lorenz, Sebastian:
Impulskettenzündung mit passiv gütegeschalteten Laserzündkerzen unter motorischen Bedingungen.
Berlin : Logos Verlag , 2016 . - 173 S. - (Reihe: D. Brüggemann (Hrsg.): Thermodynamik – Energie, Umwelt, Technik ; 26 )
ISBN 978-3-8325-4235-1
( Dissertation, 2016, Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Die Kraftstoffverbrennung wird in den nächsten Jahrzehnten einer der wichtigsten Ener-gieumwandlungsprozesse bleiben. Wichtige Anforderungen für zukünftige Verbrennungs-motoren sind dabei eine gesteigerte Effizienz und eine reduzierte Schadstoffemission. Dies kann erreicht werden, indem magerere Kraftstoff/Luft-Gemische bei höheren Drücken und höheren Strömungsgeschwindigkeiten gezündet und verbrannt werden. Unter diesen Be-dingungen stößt die konventionelle Funkenzündkerze jedoch an ihre Grenzen; es bedarf der Entwicklung alternativer Zündsysteme. Die passiv gütegeschaltete Laserzündkerze (pLZK) besitzt das Potential, die Anforderungen an ein zukünftiges Zündsystem zu erfül-len. Sie stellt eine realisierbare Alternative zur konventionellen Funkenzündkerze dar.
Eine charakteristische Eigenschaft der pLZK ist die Möglichkeit, Impulsketten zu emittie-ren. Die damit initiierte Impulskettenzündung ist allerdings noch nicht ausreichend ver-standen. Um deren Potential optimal zur Verbesserung von Zündung und Verbrennung nutzen zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit Zünd- und Brennverläufe bei pLZK mit Impulsketten untersucht. Die Arbeit behandelt dabei grundlegende optische Fragestel-lungen zur pLZK wie auch die konkrete Anwendung der Laser-Impulskettenzündung unter motorischen Bedingungen. Damit verknüpft sie die naturwissenschaftlichen Aspekte der Laseroptik mit der ingenieurwissenschaftlichen Sicht des Verbrennungsprozesses.
Durch die Entwicklung einer neuen Messmethode konnte erstmals die vom Laserdesign abhängige zeitlich-räumliche Energieverteilung des Impulsprofils vermessen werden. Deren Auswirkungen auf die einzelnen Schritte des Laser-Zündprozesses wurden eingehend un-tersucht. Es konnte gezeigt werden, wie sich durch das Design einer Laserzündkerze der Zündprozess selbst sowie der daraus resultierende Flammenkern gestalten lässt.
Bei der Impulskettenzündung kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen jedem der konsekutiven Laserimpulse und der Flammenstruktur des jeweiligen Vorgängers. Konseku-tive Impulse verbessern den Zündvorgang und die Verbrennung, wenn sie entweder im Zentrum oder außerhalb des bestehenden donutförmigen Flammenkerns einen zweiten Flammenkern bilden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Abhängigkeit des Zünd- und Verbrennungsverlaufs vom zeitlichen Impulsabstand, von der Impulsanzahl und von der Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoff/Luft-Gemisches. Im Vergleich zur Einzelim-puls-Laserzündung und zur konventionellen Funkenzündung führt die Laser-Impulskettenzündung bei einem mageren Gemisch zu einer effizienteren Verbrennung.

Abstract in weiterer Sprache

Combustion will remain one of the most important energy conversion processes over the next decades. Regarding the development of future combustion engines, priority goals are increased efficiency and reduced emissions. These aims can be achieved by igniting and burning leaner fuel/air mixtures at increased pressure and increased flow velocities. Under these conditions, the conventional spark plug has reached its limits. The development of alternative ignition systems is required. The passively Q-switched laser (PQL) spark plug has the potential to meet the challenges of a future ignition system. Therefore, it represents an alternative to the conventional spark plug.
A characteristic feature of PQL is their capability of emitting pulse trains. The associated pulse train ignition is not understood sufficiently yet. In this thesis, the ignition and com-bustion process of PQL spark plugs with pulse trains was investigated in order to utilise its potential for an improved ignition and combustion. The study deals with fundamental opti-cal questions about PQL as well as with the application of the pulse train ignition under engine like conditions. Therewith, scientific aspects of laser optics are connected with re-search of the combustion process in engineering science.
The spatio-temporal energy distribution within the laser pulse profile depends on the design of the PQL spark plug. By developing a new measuring method, this energy distribution was experimentally characterized for the first time. Its impact on each step of the laser igni-tion process was investigated in detail. The results demonstrate how the ignition process and the resulting flame kernel structure can be shaped by the design of the laser spark plug.
In case of pulse train ignition, an interaction occurs between each consecutive laser pulse and the flame kernel structure of a previous pulse. Consecutive pulses improve the ignition and combustion process if they build a second flame kernel either in the centre or outside of the existing donut-like flame kernel structure. The influence of pulse number, temporal pulse spacing and flow velocity of the fuel/air-mixture on the ignition and the combustion process is shown. For lean mixtures under the investigated conditions, laser pulse train igni-tion leads to a more efficient ignition and combustion compared to single laser pulse igni-tion and to conventional spark plug ignition.