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Doctor's Theses (authored and supervised):

H. Kopecek:
"Laser Ignition of Gas Engines";
Supervisor, Reviewer: E. Wintner, B. Geringer; 387 Institut für Photonik, 2004.



English abstract:
In this work, the usability of the laser as an alternative ignition source for reciprocating gas engines was investigated experimentally. To achieve ignition, the beam of a nanosecond- pulsed laser was focused into the gas mixture by a proper lens system to obtain a laser spark in the focal region. One of the most important parameters to be investigated was the minimum laser pulse energy needed for ignition (MPE), since this quantity mainly determines the complexity and costs of a future laser ignition system in series production.
Experiments on a high pressure resistant constant volume combustion vessel were performed to determine the fundamental properties of laser ignition. For most of these chamber experiments, methane was used as a fuel since it presents the dominant component of the fuel mixture (e.g. in natural gas) commonly used for large gas engines. Three different wavelengths of laser radiation (355 nm, 532 nm and 1064 nm) were tested all revealing approximately the same MPE, thus making it reasonable to perform the rest of the projected experiments at the fundamental wavelength of 1064 nm of the Nd:YAG laser.
For methane-air mixtures up to relative air-fuel ratios of A/Frel = 1.9 and initial pressures of 30 bar, MPE was below 10 mJ for the spherical lens system employed. Experiments using aberration-free aspheric lenses of highest numerical aperture (NA = 0.375) demonstrate that this requirement on pulse energy can be further reduced by a factor of 7 to 10 to values of less than 1.5 mJ for mixtures of A/Frel <1.9. The record for the smallest pulse energy yielding ignition was 150 µJ for a methane-air filling of A/Frel = 1.05 and an initial pressure of 5 bar. Contrary to conventional spark plugs, laser ignition works even better in the case of higher initial gas pressures, since MPE is decreasing with increasing pressure- Laser ignition experiments using hydrogen as a fuel revealed similar properties and values for MPE compared to methane.
It was found that temporal intensity fluctuations of the pulse can significantly decrease MPE. Such spiking effects are quite common for Q-switched systems being caused by interference of different cavity modes and should be employed in the case of an ignition laser .
The lean side ignition limit achieved by the laser was found to be at a relative air/fuel ratio of A/Frel = 2.2, although above A/Frel = 1.95, only partial combustion occurred. Ignition experiments with a spark plug under identical conditions result in a significantly lower lean side ignition limit, especially for initial pressures below 35 bar. For laser pulse energies of 25 mJ, laser ignition possesses slightly shorter ignition delay times and a smaller variance of the same compared to spark plug ignition.
The laser was also demonstrated to perform in a quite satisfying way on a real gas engine. For the selected laser and conventional spherical focusing optics and under the given engine conditions of nominal speed and full load, 10 mJ of pulse energy was found to be enough for reliable engine ignition even at start up. For laser pulse energies above 12.8 mJ, the peak rate of heat release was evidently higher and the combustion duration was
significantly decreased compared to conventional spark plug ignition. The spark location was the same in both cases. By employing optimized focusing optics, it should be possible to significantly reduce this value further. The absolute lean side limit for laser ignition could not be investigated, but it was indicated to be close to 2.05. The laser-ignited engine worked successfully at A/Frel = 1.8 for a first test period of 190 hours without any interruption due to window fouling and other disturbances.
Preliminary experiments performed on a second test bed engine running in homogeneous charge compression ignition mode (HCCI) revealed the laser spark to be able to stimulate the auto-ignition process and to trigger the onset of combustion. The laser reduced the sensitivity of the ignition process against variations of the inlet gas temperature. These effects were observed for mixtures of A/Frel < 2.7 (used fuel: 90 % methane, 10 % isooctane by volume). To the knowledge of the author, these experiments represent the first demonstration of a laser-stimulated HCCI engine.
Durability tests of different chamber windows revealed the necessity of keeping the interior surface of the window as hot as possible and the laser fluence on the surface below some critical value to avoid deposits on the surface.
The usability of commercially available multimode step index fibers as well as different special hollow-core fibers to guide the igniting laser pulses was investigated leading to the results that both cannot fulfill the requirements of this application. This is because they either deliver output beams of bad focusability or get damaged mostly at the input surface due to the high radiation intensities. Only photonic crystal fibers with hollow core offer a future perspective in this respect.
Different concepts for a future laser ignition system were introduced and their performance and requirements were roughly estimated facilitating a decision for one concept to be realized as a first prototype.

German abstract:
Diese Arbeit soll die Eignung des Lasers als alternative Zündquelle für Gasmotoren experimentell erforschen. Das Prinzip der Laserzündung besteht darin, den Strahl eines gepulsten, gütegeschalteten Lasers mittels geeigneter Linsenoptik innerhalb eines brennbaren Gemisches so zu fokussieren, um durch das im Fokus entstehende Plasma das Gemisch zu entzünden. Der wichtigste unter den zu bestimmenden Parametern ist die minimale Laserpulsenergie, die für eine erfolgreiche Zündung aufgebracht werden muss (MPE), da diese sowohl Komplexität als auch Kosten für ein zukünftiges Laserzündsystem vorgibt.
Eine Studie der Einflüsse diverser Parameter auf die Laserzündung wurde an einem Hochdruckverbrennungsbehälter durchgeführt. Für den Großteil der Zündversuche wurde Methan, Hauptkomponente typischer Treibstoffe von Gasmotoren (z.B. in Erdgas, Biogas), verwendet. Untersuchungen mit unterschiedlichen Laserwellenlängen (355 nm, 532 nm, 1064 nm) ergaben, dass die MPE innerhalb des nahen Ultraviolett- bis in den nahen Infrarotbereich von der Wellenlänge des Laserstrahls unabhängig ist. Es wurden deshalb alle weiteren Versuche mit 1064 nm, der Grundwellenlänge von Nd:YAG, durchgeführt, um mit einem möglichst einfachen, robusten Festkörperlaser, der am ehesten einer praktischen Realisierung eines zukünftigen Zündlasers zugänglich ist, das Auslangen zu finden.
Für Methan-Luftgemische bis hinauf zu einer Luftüberschusszahl A/Frel= 1,9 (entspricht dem im deutschsprachigen Raum gebräuchlichen Lambdawert), bei Fülldrücken von 30 bar und der verwendeten sphärischen Fokussierungsoptik, betrug die MPE weniger als 10 mJ. Durch Verwendung asphärischer Optik mit höchster numerischer Apertur (NA = 0,375) konnte die MPE um einen Faktor 7 bis 10 auf Werte unter 1,5 mJ, für Gemische mit A/Frel < 1,9, gesenkt werden. Die geringste MPE von 150 µJ wurde für ein Gemisch mit A/Frel = 1,05 bei einem Fülldruck von 5 bar erzielt, ein Wert, der in der dem Autor bekannten Laserzündungsliteratur keinen Vergleich findet. Im Gegensatz zu gängigen Zündkerzen zündet der Laser problemlos Gemische bis zu höchsten Gasdrücken, da die MPE mit steigendem Druck abfällt. Es wurde weiters festgestellt, dass Wasserstoff- Luftgemische Werte für die MPE in ähnlicher Größenordnung wie Methan aufweisen.
Es zeigte sich auch, dass Intensitätsfluktuationen im zeitlichen Pulsverlauf die MPE deutlich herabsenken können. Solche Intensitätsspitzen sind typisch für das zeitliche Verhalten gütegeschalteter Laser und sollten bei einem Zündlaser forciert werden.
Die Magerzündgrenze fiir die Laserzündung lag bei A/Frel = 2,2, auch wenn erwähnt werden muss, dass Gemische oberhalb von A/Frel = 1,95 zwar zündeten, aber nicht vollständig verbrannten. Versuche mit einer handelsüblichen Zündkerze für Gasmotoren lieferten unter möglichst gleichen Bedingungen eine deutlich niedrigere Magergrenze, speziell bei Fülldrücken unter 35 bar. Auch konnte bei der Laserzündung mit 25 mJ Pulsenergie ein geringerer Zündverzug mit deutlich geringerer Varianz als bei der Kerze festgestellt werden. Erste, nicht optimierte Versuche, einen Zylinder eines 1 MW Gasmotors, bei Nenndrehzahl -
und unter Volllast, mittels Laser zu zünden, zeigten, dass bei Verwendung eines gütegeschalteten Nd:YAG Lasers in Kombination mit einer einfachen, sphärischen, nicht fehlerkorrigierten Fokussierungsoptik 10 mJ an Pulsenergie für einen zufrieden stellenden, zuverlässigen Betrieb des Motors inklusive Hochlauf ausreichten. Für Laserpulsenergien über 12.8 mJ konnte eine deutlich höhere Brennstoffumsatzrate und eine kürzere Brenndauer als bei Kerzenzündung, bei annähernd gleicher Funkenlage, festgestellt werden. Bei Verwendung einer optimierten Fokussierungsoptik sollte dieser Wert noch deutlich unterboten werden können. Die absolute Magerlaufgrenze konnte mit dieser Versuchsanlage nicht erfasst werden, doch wurde sie durch diverse Indizien (späte, stark schwankende Verbrennung) auf A/Frel = 2,05 geschätzt. In einem ersten Versuch war es möglich, den lasergezündeten Betrieb über eine Testdauer von 190 Stunden aufrecht zu erhalten.
Versuche an einem Verbrennungsmotor mit homogener Selbstzündung (HCCI) zeigten, dass ein im Brennraum frei platzierter Laserfunke den an sich autonomen Zündungsprozess auslösen und damit steuern kann. Auch wurde eine Verminderung der an sich großen Temperaturempfindlichkeit des Selbstzündprozesses durch den Funken demonstriert. Diese Effekte konnten für Gemische bis A/Frel < 2,7 beobachtet werden (untersuchter Treibstoff: 90 % Methan, 10 % Isooktan). Nach bestmöglicher Recherche kann behauptet werden, dass es sich hierbei um die weltweit erste Demonstration eines Laser-stimulierten HCCI-Brennverfahrens für Verbrennungsmotoren handelt.
Tests zur Haltbarkeit der Brennraumfenster zeigten, dass für eine möglichst unbeeinflusste, ablagerungsfreie, brennraumseitige Fensteroberfläche die Temperatur der Oberfläche möglichst hoch, und die Strahlungsintensität an derselben möglichst gering gehalten werden muss.
Versuche, die zündfähigen Laserpulse über kommerziell erhältliche Stufenindexfasern und auch über spezielle Hohlfasern über wenige Meter zu transportieren, scheiterte, da entweder bei kleinem Kerndurchmesser die Faser durch die hohen Intensitäten zerstört wurde oder bei größeren Durchmessern der Strahl am Faserausgang eine zu geringe Strahlqualität aufwies. Neue Perspektiven eröffnen diesbezüglich so genannte "Photonic crystal fibers (PCF)" mit hohlem Faserkern.
Verschiedene Konzepte für ein zukünftiges Laserzündsystem für Gasmotoren wurden vorgestellt und durch diverse Abschätzungen auf deren Tauglichkeit hin untersucht, um die anstehende Entscheidung, welches System zwecks Machbarkeitsdemonstration als erster Prototyp umgesetzt werden soll, zu erleichtern.

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.