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Pulse train ignition with passively Q-switched laser spark plugs under engine conditions

Subject Area Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
Technical Thermodynamics
Term from 2014 to 2021
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 250474052
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Um die Klimaziele erreichen zu können, muss der Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren weiter reduziert werden. Es steht eine Reihe an möglichen Maßnahmen dafür zur Verfügung. Das Abmagern des Motors in Kombination mit höheren Ladedrücken stellt einen vielversprechenden Ansatz dar. Erdgas führt aufgrund der chemischen Struktur zu einem vergleichsweise geringen CO2-Ausstoß und verbrennt relativ partikelarm. Der Einsatz der Direkteinblasung erlaubt eine noch stärkere Abmagerung durch die Möglichkeit, ein global sehr mageres Gemisch zu zünden, indem durch spät eingeblasenen Kraftstoff am Zündort ein zündfähiges Gemisch hergestellt wird. Eine starke Abmagerung führt allerdings zu Problemen mit den herkömmlichen Zündsystemen. Um das Gemisch bei hohen Drücken und einem starken Luftüberschuss zu zünden, sind hohe Spannungen in der Funkenzündkerze notwendig, die zu einem schnellen Verschleiß der Elektroden führen und die Lebensdauer der Kerzen drastisch verkürzen. Der Einsatz eines Laserzündsystems bietet hier einige wesentliche Vorteile. Zum einen sind hohe Drücke zum Zündzeitpunkt vorteilhaft für die Laserzündung, da mit einem höheren Druck eine geringere Zündenergie notwendig ist. Zum anderen sind keine limitierenden Elektroden vorhanden, die durch Wärmeableitung zum Auslöschen der Flamme führen können und den Zündort auf eine feste Position reduzieren. Um den Einfluss der Laserzündung in Kombination mit der Direkteinblasung auf die Fähigkeit zur Abmagerung und die Qualität der Verbrennung zu untersuchen, wurden zwei Laserzündkerzen eingesetzt, sowie eine herkömmliche elektrische Funkenzündkerze zum Vergleich herangezogen. In einem optisch zugänglichen Einhubtriebwerk wurde Methan über ein Injektionssystem direkt in den Brennraum eingeblasen und gezündet. Die Verbrennungsqualität wurde über den Druckverlauf und den daraus errechneten Kenngrößen der indizierten Arbeit, des Wirkungsgrads und deren Variationskoeffizienten beurteilt. Unterstützend kamen optische Messtechniken zum Einsatz, die zur Analyse der Flammenfrontgeschwindigkeit und der Flammengröße genutzt wurden. Für jeden Betriebspunkt wurde außerdem die Zündwahrscheinlichkeit ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass die Laserzündung einen positiven Einfluss auf die Verbrennungsqualität hat. Zum einen wurden durch die Laserzündkerzen die höchsten Druckmaxima erzeugt, insbesondere bei dem extrem mageren Gemisch mit λ = 3,3. Dort beträgt der Unterschied bis zu 10 %. Zum anderen traten diese Druckmaxima über alle Kraftstoff-Luft Gemische hinweg früher auf. Beides ist positiv für die Kraftentfaltung im Motor und einen möglichst konstanten ruhigen Betrieb. Ein systematischer Einfluss der Mehrfachzündung konnte in den Druckverläufen nicht festgestellt werden. Bei der Betrachtung der errechneten Kenngrößen, nämlich indizierte Arbeit, Wirkungsgrad und Zyklusschwankungen, schneiden die Laserzündkerzen ebenfalls besser ab. Bei dem Gemisch mit λ = 2,9 und λ = 3,3 erzielt die Laserzündkerze mit 9,2 mJ Pulsenergie die höchsten Werte in Bezug auf indizierte Arbeit und Wirkungsgrad. Die Werte der elektrischen Zündkerze liegen ungefähr auf dem Niveau der zweiten Laserzündkerze mit 12,3 mJ. Allerdings sind bei der elektrischen Zündkerze dafür 2 bis 3 Pulse nötig. Auch bei den Zyklusschwankungen zeigt sich ein klarer Vorteil für die Laserzündung, die bei allen Betriebspunkten bessere Werte aufweist. Für die Gemische mit λ = 2,9 und λ = 3,1 liegen die besten Werte der beiden Laserzündkerzen auf einem ähnlichen Niveau und weisen im Vergleich zu der elektrischen Zündkerze um bis zu 30 % niedrigere Werte auf. Bei dem Gemisch mit λ = 3,3 schneidet wieder die Laserzündkerze mit 9,2 mJ mit Abstand am besten ab. Hier liegen die Zyklusschwankungen bis zu mehr als 5-%-Punkte unter den Vergleichssystemen. Die Auswertung der Zündwahrscheinlichkeit ergibt, dass die 9,2-mJ-Laserzündkerze hier am schlechtesten abschneidet. Die beiden übrigen Systeme liegen auf einem ähnlich hohen Niveau, allerdings liegt die Zündwahrscheinlichkeit der 9,2-mJ-Laserzündkerze vor allem bei einem einfachen Puls deutlich darunter. Hier zeigt sich jedoch der positive Einfluss der Mehrfachzündung sehr deutlich. Mit jedem zusätzlichen Puls steigt die Zündwahrscheinlichkeit deutlich an und erreicht bei 3 Pulsen ungefähr das Niveau der Vergleichssysteme. Auch bezüglich der Zyklusschwankungen profitiert die 9,2-mJ-Laserzündkerze bei λ = 3,1 und λ = 3,3 stark von mehrfachen Pulsen. Die zu Beginn aufgestellten zentralen Fragestellungen konnten durch die Versuche beantwortet werden: • Durch den Einsatz der Laserzündung verbessern sich die Werte für den maximalen Druck um bis zu 10 %, die Werte der indizierten Arbeit um bis zu 15 % und die Werte der Zyklusschwankung um bis zu 40 %. Insbesondere der motorische Betrieb mit extrem mageren Gemischen kann somit verbessert werden. • Die Impulskettenzündung hat insbesondere bei kurzen Zündpulsen und extrem mageren Gemischen einen positiven Einfluss. Die Zündwahrscheinlichkeit und die Zyklusschwankungen verbessern sich mit zusätzlichen Pulsen um bis zu 35 % bzw. 27 % bei drei Pulsen im Vergleich zu einem einzelnen Puls. • Kürzere Pulse mit höherer Leistung erreichen um bis zu 12 % höhere Werte in Bezug auf indizierte Arbeit und Wirkungsgrad im Vergleich zu längeren Pulsen mit niedrigerer Leistung. Allerdings liegt die Zündwahrscheinlichkeit für längere Pulse um bis zu ca. 50 % höher als für kürzere Pulse.

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