Szikra, vagy lézer, vagy... 1. rész

Láttunk már gyújtórendszereket (pl. Delphi CSI, Delphi MFZ, Mercedes ECI, Saab Trionic T7), amelyek valamilyen cél érdekében többet tudtak a hagyományosoknál. A jövő egyértelmű célja a fogyasztás és a károsanyag-kibocsátás csökkentése – ezek összefüggenek egymással –, és többfajta tüzelőanyag (alternatív folyékony és gáz tüzelőanyagok) – levegő keverék gyújtására alkalmas rendszer létrehozása.

Ennek érdekében olyan gyújtóberendezéseket fejlesztenek ki, amelyek jelentősen hozzá tudnak járulni e célok eléréséhez. Számos kutatóintézet, egyetem és autógyártó is végez fejlesztéseket annak érdekében, hogy az elektromos gyújtógyertyát lecserélhessék. Kétrészes írásunkban először bemutatjuk a lézersugárral működő gyújtás fejlesztéseinek helyzetét, majd pedig szólunk egy másik érdekes megoldásról, amelynek során a mikrohullámú sugárzást teszik próbára a keverék gyulladásának elérése érdekében.

Bevezetés

A tüzelőanyag–levegő keverék lézersugárral való gyújtásának folyamata már viszonylag régóta ismert. A technikai átalakítások fejlesztése mellett még ma is fontos a téma alapvető kutatása is. Amíg a korábbi kutatások az elvi megvalósíthatóságra, a különböző tüzelőanyagokhoz szükséges minimális gyújtási energia meghatározására, a lézerek szükséges sugárminőségének meghatározására irányultak, addig a jelenlegi törekvések már egy lépéssel továbbléptek.

Elmélet

Ezen írásnak nem célja, hogy részletesen bemutassa annak elméletét, hogyan lehet lézersugárral tüzelőanyag–levegő keveréket gyújtani, azonban mégis egy pár mondat erejéig nézzük meg a lényeget.

A lézersugár egy fénysugár, amelynek három fő tulajdonsága az irányítottsága, rendezettsége és nagy teljesítménye az, amely megkülönbözteti a napsugártól vagy az izzólámpa fényétől. Egy lézersugarat az égéstér egy pontjában fókuszálnak, ahol ha a körülmények adottak, akkor egy ún. optikai áttörést hoz létre (ködfénykisüléses tartomány). Ebben a kis kiterjedésű pontban keletkezik egy világító plazmaréteg, amelyen belül extrém nagy hőmérsékletek és nyomások uralkodnak. Ebből a plazmamagból kiindulva, amelynek hőmérséklete nagyságrendileg 105–106 K, kialakul egy nyomáshullám, amely a hangsebességnél nagyobb sebességgel a gázon áthalad és felmelegíti azt. Emellett a molekulák kis részénél ionizációt is létrehoz. A nyomáshullámmal együtt a plazmamagból kiinduló hővezetés és hősugárzás, és a képződött gyökök diffúziója vezet végül a plazmamag közvetlen közelében található keverék gyulladásához.

A lézergyújtás előnyei és hátrányai

A lézergyújtás előnyeihez tartoznak a következők:

– extrém szegény keverék, illetve extrém nagymértékű kipufogógáz-visszavezetéssel rendelkező keverék gyújtása lehetséges, amely során a csökkent lánghőmérséklet miatt az NOx-képződés redukálódik.
– nincs eróziós hatás, mint az elektromos gyújtógyertya esetében → hosszabb élettartam
– nagyobb hengerközépnyomások lehetségesek
– lehetővé teszi a gyújtási hely szabad megválasztását:

1. gyújtás lehetőleg az égéstér közepén következzen be → csökkenhet a lángfront útja → rövidebb égéstartam → hatásfok nő → fogyasztás csökkenhet

2. az égéstér falától távoli gyújtás: → csökkenhet a hőveszteség és a kopás
– a fogyasztás csökkenthetősége miatt stacioner gázmotorokon való alkalmazhatósága tekintetében is nagyon vonzó megoldás

A lézergyújtás hátrányai:
– a fejlesztéseknek jelenlegi szintjén még drága, és nem elég robusztus a szériagyárthatósághoz.

A lézersugárral való gyújtás fejlesztéseinek mai állása

A rendszer fejlesztésében, kutatásában kiemelkedők a TU Wien, a Bayreuth Engine Research Center, a Carinthian Test Research, az AVL List és a BMW.

Körülbelül 5 évvel ezelőtt a TU Wien és az AVL List együttműködésével egy olyan motort helyeztek üzembe, amelyben a keverék gyújtását lézersugárral oldották meg. Az ezzel történő vizsgálatok teljesítették az elvárásokat, a lézergyújtás alkalmazásával lehetséges volt extrém szegény keverék gyulladását, illetve az eddigieknél nagyobb mértékű kipufogógáz-visszavezetést realizálni. Ugyanezen vizsgálatok alkalmával a rendszer jó „állóképességet” mutatott a nagy sebességű áramlások és a turbulenciák ellen, amely mint ismert, az elektromos szikra kialvásához vezethet. Ebből kifolyólag jelentkeztek előnyök a fajlagos fogyasztásban és a HC-emisszióban. Az 1. ábra (Forrás: [3]) mutatja a kezdeti elképzelést a lézergyújtórendszerrel kapcsolatban.

1. ábra

Ennek a kutatásnak célja volt továbbá a motor hatásfokának a növelése lézer alkalmazásával.

Térjünk itt ki részletesebben arra, hogyan gondolták ezt elérni. A motor hatásfokának növelése többek között az effektív középnyomás növelésével vagy a légfeleslegtényező növelésével érhető el. Ezen célok mellett a jelenlegi gyújtórendszerek egyre inkább elérik technikai határaikat. Nagy kompresszióviszony és szegény keverékű töltet mellett fennálló termodinamikai feltételek a szikrával való gyújtás számára gyakorlatilag legyőzhetetlen problémákat okoznak. Az effektív középnyomás növelésével a szikraképzéshez nagyobb áttörési feszültség szükséges. A 2. ábra (Forrás: [3]) mutatja az áttörési feszültségek nagyságát a nyomás függvényében, a szikraköz pedig mint paraméter szerepel.

2. ábra

Ez a növelt feszültség egy jelentős mértékű elektródaeróziót okoz, amely a gyertya élettartamát csökkenti. Mint ismert, szegény keverék gyújtása a keverék rétegezésével lehetséges, de most nem erről van szó. A gyújtáshoz szükséges minimális pulzusenergia a középnyomás növekedésével csökken. Erről ad tájékoztatást a 3. ábra (Forrás: [3]).

3. ábra

A TU Wien kutatásai szerint az optikai áttörés nem elegendő a megbízható égés létrehozásához. A kísérleteik alapján legalább 6 mJ pulzusenergia szükséges 5 ns időtartammal. (P = W/t = 6 mJ/5 ns = 6x10-3 J/5x10-9 s = 1,2 MW lézerteljesítmény szükséges!)

A minimális pulzusenergia a nyomáson kívül függ még a hőmérséklettől és a légfeleslegtől is. Számos vizsgálat, amelyet különböző tüzelőanyagok levegőkeverékeivel végeztek (metán–levegő, hidrogén–levegő, izooktán/n-Heptán-levegő, biogáz–levegő) megmutatta, hogy a minimális pulzusenergia független a tüzelőanyag fajtájától.

A Bayreuth Engine Research Center foglalkozik olyan kutatásokkal is, mint a célzott égésbefolyásolás, és a térben és időben elválasztott többszörös gyújtás. Ennek megvalósítására szolgáló rendszer elvi rajzát a 4. ábra mutatja (Forrás: [1]).

4. ábra

Vizsgálatokat végeztek homogén keverékképzésű üzemben hidrogén–levegő, metán–levegő keverékkel, azért, hogy az égéslefutás alakításához további lehetőséget felderítsenek. A metán–levegő keverék különböző összetételével elért különböző égéstartamok összehasonlítását az 5. ábrán lehet látni (Forrás: [1]).

5. ábra

E szerint az ábra szerint a lézergyújtás eszközével több gyújtópont alkalmazásával az égéstartam még tovább rövidíthető.

Mivel a lézergyújtási koncepció alapvetően nagyon ígéretes, a következő cél egy olyan rendszer előállítása, amely mind a szükséges teljesítménnyel rendelkezik, mind az építési nagyságok (méretek), mind az ár tekintetében is elfogadható.

Időközben ennek a rendszernek már a második generációja is rendelkezésre áll, amelyet speciálisan belső égésű dugattyús motorokon való alkalmazásra fejlesztettek ki. Ezt az ún. lézergyújtógyertyát a Carinthian Test Research az AVL List-tel együttműködésben tudta megvalósítani. A „lézergyújtógyertyának” nevezett elem, mely a 6. ábrán látható (Forrás: [2]), alkalmas lehet az elektromos gyújtógyertya kiváltására, mely mérföldkő lenne a motorfejlesztésben.

6. ábra

Ez a „gyertya” annak a lézerfejlesztésnek az eredménye, melynek célja a kis méret, a robusztusság és a nagy teljesítmény volt. A világon elsőként kifejlesztett lézer, mely a gyújtógyertyát formában és teljesítményben is felcserélheti, a kisméretű szilárdtest lézerek területén egy speciális know-how-t jelent. Ennek az eszköznek meg kellett felelnie a belső égésű motor további követelményeinek: kis helyszükséglet, alkalmazási hőmérséklet-tartomány (max. 300 °C), a motor által gerjesztett rezgések.

Az eddigi kutatások során mindig a motort kellett szükséges módon a lézerhez illeszteni, vagy a lézersugarat fénykábel segítségével az égéstérhez juttatni. Az AVL az említett követelmények teljesítése mellett a lézer hatásfokát is jelentős kérdésnek tartja. Az elektromos energia hatásos átalakítását úgy érték el, hogy közben a lézerrendszer elektronikáját a normál 12 V feszültségű hálózatról működtetik. További előny, hogy a lézergyertyának nincsenek égéstérbe elhelyezkedő részei, ebből kifolyólag relatív teljes, és káros anyagban szegény égést tesznek lehetővé.

A lézergyújtások alkalmazhatóságát Otto-motorokon a közvetlen befecskendezéses eljárásoknál a BMW egy munkacsoportjának legfrissebb kutatási eredményei szerint mind homogén üzemben, mind pedig rétegezett keverékű üzemben sugárvezetett elégetési eljárás során vizsgálták. Itt is jelentkezett a már említett előny: a gyulladási sebesség nagyobb egy lézergyújtóforrás esetén, mint szikrával való gyújtás esetében. Adódott a rétegezett keverékű üzemben probléma is, a gyulladáskimaradás, amit a lézerindukált plazmának az elektromos szikrához képest rövid időtartamával magyaráztak.

Összefoglalás

A lézersugárral működő gyújtásban rejlő nagy lehetőség, a fogyasztás és az emisszió csökkentése miatt töretlen az érdeklődés annak továbbfejlesztésére. Néhány kutatócsoport tevékenysége, valamint szabadalmak sokasága is alátámasztja ezt. A technológia mai állása szerint már vannak kereskedelmi forgalomban kapható rendszerek is. Az új, közvetlen befecskendezésű Otto-motoroknál a lézergyújtás sokoldalú lehetőségeket rejt magában. Ha az alkalmazott rendszerek költségeit sikerül tovább csökkenteni, akkor egyes alkalmazásokban a szikragyújtással igazi alternatívájává válhat.

Reméljük, hogy a következő fejlesztési állapotokról szóló beszámolókban már megismerhetünk a lézergyújtással elért és fent az előnyeként folyamatosan emlegetett emissziócsökkentési értékeket, diagramokat.

Forrás:

[1] Stand der Entwicklung bei der Laserzündung MTZ 03/2009
[2] Carinthian Test Research (www.ctr.at)
[3] TU Wien Arbeitsgruppe Laserzündung (info.tuwien.ac.at/Laserzuendung)
(Folytatjuk.)
A következő rész egy másik érdekes megoldás leírása, mely mikrohullámú sugárzás segítségével hoz létre gyulladást. Mivel ezt az egész égéstérre kiterjedően teszi, a térgyújtás nevet is kapta.