pdf viewer in c# windows application : How to copy a picture from a pdf Library control class asp.net web page azure ajax sp90-part1419

1
Laser Ignition in Internal Combustion Engines - A Contribution to a 
Sustainable Environment 
M. Lackner*, F. Winter 
Institute of Chemical Engineering, Vienna University of Technology, Getreidemarkt 9/166, A-1060 Wien, 
Austria 
Corresponding author 
Tel: +43-1-58801-159-48, Fax: +43-1-58801-166-99, lackner@mail.zserv.tuwien.ac.at
J. Graf, B. Geringer 
Institut für Verbrennungskraftmaschinen, Vienna University of Technology, Getreidemarkt 9/315, A-1060 Wien, 
Austria 
M. Weinrotter, H. Kopecek, E. Wintner 
Institut für Photonik, Vienna University of Technology, Gußhausstraße 25-29, A-1040 Wien, Austria 
J. Klausner, G. Herdin 
GE Jenbacher GmbH &Co OHG, Achenseestraße 1-3, A-6200 Jenbach, Austria 
Abstract 
Sustainability with regard to internal combustion engines is strongly linked to the fuels burnt 
and the overall efficiency. Laser ignition can enhance the combustion process and minimize 
pollutant formation. This paper is on laser ignition of sustainable fuels for future internal 
combustion engines.  
Ignition is the process of starting radical reactions until a self-sustaining flame has developed. 
In technical appliances such as internal combustion engines, reliable ignition is necessary for 
adequate system performance. Ignition strongly affects the formation of pollutants and the 
extent of fuel conversion. This paper presents experimental results on laser-induced ignition 
for technical applications. 
Laser ignition tests were performed with the fuels hydrogen and biogas in a static combustion 
cell and with gasoline in a spray-guided internal combustion engine. A Nd:YAG laser with 6 
ns pulse duration, 1064 nm wavelength and 1-50 mJ pulse energy was used to ignite the 
fuel/air mixtures at initial pressures of  1-3 MPa. Schlieren photography was used for optical 
diagnostics of flame kernel development and shock wave propagation. 
Compared to a conventional spark plug, a laser ignition system should be a favorable ignition 
source in terms of lean burn characteristics and system flexibility. Yet several problems 
remain unsolved, e.g. cost issues and the stability of the optical window. The literature does 
not reveal much information on this crucial system part. Different window configurations in 
engine test runs are compared and discussed. 
Keywords:  Laser  ignition,  spray-guided  combustion,  homogeneous  combustion,  high 
pressure, hydrogen, biogas, gasoline.  
How to copy a picture from a pdf - copy, paste, cut PDF images in C#.net, ASP.NET, MVC, Ajax, WinForms, WPF
Detailed tutorial for copying, pasting, and cutting image in PDF page using C# class code
how to copy pictures from pdf to word; paste jpeg into pdf
How to copy a picture from a pdf - VB.NET PDF copy, paste image library: copy, paste, cut PDF images in vb.net, ASP.NET, MVC, Ajax, WinForms, WPF
VB.NET Tutorial for How to Cut or Copy an Image from One Page and Paste to Another
copy and paste image from pdf to word; copy and paste image from pdf to pdf
2
Introduction 
Internal combustion engines play a dominant role in transportation and energy production. 
Even a slight improvement will translate into considerable reductions in pollutant emissions 
and impact on the environment. 
The two major types of internal combustion engines are the Otto and the Diesel engine. The 
former relies on an ignition source to start combustion, the latter works in autoignition mode. 
Ignition [1] is a complex phenomonon known to strongly affect the subsequent combustion. It 
is especially the early stages that have strong implications on pollutant formation, flame 
propagation and quenching.  
The spark ignited Otto engine has a widespread use and has been subject to continuous, 
sophisticated improvements. The ignition source, however, changed little in the last 100 
years. An electrical spark plug essentially consists of two electrodes with a gap in between 
where, upon application of a high voltage, an electrical breakthrough occurs.  
A laser based ignition source, i.e. replacing the spark plug by the focused beam of a pulsed 
laser, has been envisaged for some time [2]. Also, it was tried to control autoignition by a 
laser light source [3]. 
The time scale of a laser-induced spark is by several orders of magnitude smaller than the 
time scales of turbulence and chemical kinetics. In [4], the importance of the spark time scale 
on the flame kernel size and NO
x
production is identified. 
As it will be outlined in this paper, a laser ignition source has the potential of improving 
engine combustion with respect to conventional spark plugs. 
1.1  Alternative ignition systems 
The protection of the resources and the reduction of the CO
2
emissions with the aim to limit 
the greenhouse effect require a lowering of the fuel consumption of motor vehicles. Great 
importance  for  the  reduction  lies  upon  the  driving  source.  Equally  important  are  the 
optimization of the vehicle by the means of a reduction of the running resistance as well as a 
low-consumption arrangement of the entire powertrain system. 
The most important contribution for lower fuel consumption lies in the spark ignition (SI) 
engine sector, due to the outstanding thermodynamic potential which the direct fuel injection 
provides. 
Wall- and air-guided combustion processes already found their way into standard-production 
application and serial development, whereas quite some fundamental engineering work is still 
needed for combustion processes of the second generation. Problems occur primarily due to 
the fact that with conventional spark ignition the place of ignition cannot be specifically 
chosen, due to several reasons. By the means of laser induced ignition these difficulties can be 
reduced significantly. 
The  combination  of  technologies  (spray-guided  combustion  process  and  laser  induced 
ignition) seems to become of particular interest, since the ignition in the fuel spray is direct 
and thus the combustion initiation is secure and non-wearing. 
The engine tests in this paper are on laser ignited, spray-guided combustion. 
Another approach is laser ignition of a homogeneous mixture. Within the scope of this paper, 
laser ignition in homogeneous fuel/air mixtures was investigated  in a combustion bomb 
without turbulence. 
In [4], other alternative ignition systems than laser ignition are reviewed. Laser ignition, 
microwave ignition, high frequency ignition are among the concepts widely investigated. 
In this article the basics of applied laser ignition, will be illustrated and it potential compared 
to a conventional ignition system. 
C# PDF insert image Library: insert images into PDF in C#.net, ASP
How to Insert & Add Image, Picture or Logo on PDF Page Using C#.NET. Import graphic picture, digital photo, signature and logo into PDF document.
paste picture pdf; copy pdf picture to powerpoint
VB.NET PDF insert image library: insert images into PDF in vb.net
project. Import graphic picture, digital photo, signature and logo into PDF document. Add images to any selected PDF page in VB.NET.
copy a picture from pdf; pdf cut and paste image
3
1.2  Laser ignition 
Laser ignition, or laser-induced ignition, is the process of starting combustion by the stimulus 
of a laser light source. 
Basically, energetic interactions of a laser with a gas may be classified into one of the 
following four schemes as described in [5]:  
•  thermal breakdown 
•  non-resonant breakdown 
•  resonant breakdown 
•  photochemical mechanisms  
In the case of thermal interaction, ignition occurs without the generation of an electrical 
breakdown in the combustible medium. The ignition energy is absorbed by the gas mixture 
through vibrational or rotational modes of the molecules; therefore no well-localized ignition 
source  exists. Instead,  energy deposition occurs along the whole beam path  in the gas. 
According to the characteristic transport times therein, it is not necessary to deposit the 
needed ignition energy in a very short time (pulse). So, this ignition process can also be 
achieved using quasi continuous wave (cw) lasers. 
Another type, resonant breakdown, involves non-resonant multi-photon dissociation of a 
molecule  followed by resonant photo ionization of an  atom. As well  as photochemical 
ignition, it requires highly energetic photons (UV to deep UV region). Therefore, these two 
types of interaction do not appear to be relevant for this study and practical applications. 
In these experiments, the laser spark was created by a non-resonant breakdown. By focusing a 
pulsed laser to a sufficiently small spot size, the laser beam creates a high intensity and high 
electric fields in the focal region. This results in a well localised plasma with temperatures in 
the order of 10
6
K and pressures in the order of 10
2
MPa as mentioned in [6,7]. 
The most dominant plasma producing process is the electron cascade process: Initial electrons 
absorb photons out of the laser beam via the inverse bremsstrahlung process. If the electrons 
gain sufficient energy, they can ionise other gas molecules on impact, leading to an electron 
cascade and breakdown of the gas in the focal region. It is important to note that this process 
requires initial seed electrons. These electrons are produced from  impurities in the gas 
mixture (dust, aerosols and soot particles) which are always present. These impurities absorb 
the laser radiation and lead to high local temperature and in consequence to free electrons 
starting the avalanche process. In contrast to multiphoton ionisation (MPI), no wavelength 
dependence is expected for this initiation path. It is very unlikely that the first free electrons 
are produced by multiphoton ionisation because the intensities in the focus (10
10 
W/mm
2
) are 
too low to ionise gas molecules via this process, which requires intensities of more than 
10
12 
W/mm
2
[7,9]. 
An overview of the processes involved in laser-induced ignition covering several orders of 
magnitude in time is shown in Fig. 1. Laser ignition encompasses the nanosecond domain of 
the laser pulse itself to the duration of the entire combustion lasting several hundreds of 
milliseconds. The laser energy is deposited in a few nanoseconds which leads to a shock wave 
generation. In the first milliseconds an ignition delay can be observed which has a duration 
between 5 – 100 ms depending on the mixture. Combustion can last between 100 ms up to 
several seconds again depending on the gas mixture, initial pressure, pulse energy, plasma 
size, position of the plasma in the combustion bomb and initial temperature. 
Below the main advantages of laser ignition are given: 
•  a choice of arbitrary positioning of the ignition plasma in the combustion cylinder 
•  absence of quenching effects by the spark plug electrodes 
•  ignition  of  leaner  mixtures than  with  the  spark plug  [10]  =>  lower  combustion 
temperatures => less NO
emissions [10,11] 
VB.NET TIFF: How to Draw Picture & Write Text on TIFF Document in
Copy the demo codes and run your project to see New RaterEdgeDrawing() drawing.Picture = "RasterEdge" drawing & profession imaging controls, PDF document, tiff
how to copy and paste a picture from a pdf document; how to copy and paste a picture from a pdf
VB.NET Image: Image Cropping SDK to Cut Out Image, Picture and
first! VB.NET Image & Picture Cropping Application. Do you need to save a copy of certain part of an image file in a programming way?
how to paste a picture in a pdf; how to copy pictures from pdf in
4
•  no erosion effects as in the case of the spark plugs => lifetime of a laser ignition 
system expected to be significantly longer than that of a spark plug 
•  high load/ignition pressures possible => increase in efficiency 
•  precise ignition timing possible 
•  exact regulation of the ignition energy deposited in the ignition plasma 
•  easier possibility of multipoint ignition [12-14] 
•  shorter ignition delay time and shorter combustion time [10, 15-17] 
•  fuel-lean ignition possible 
The disadvantages of laser ignition are: 
•  high system costs 
•  concept proven, but no commercial system available yet. 
Experimental 
This section describes the experimental setup. Laser ignition experiments were carried out in 
a constant volume vessel (0.9 l) and an internal combustion engine. 
The constant volume vessel, also termed the combustion bomb, was used to conduct basic 
studies of laser ignition in homogeneous fuel/air mixtures. The sustainable fuels hydrogen and 
biogas were used. The biogas was obtained from a municipal water purification plant. It was 
composed of 50.5% CH
4
, 31.7% CO
2
and 80 ppm H
2
S.  
Schlieren photography was used for accompanying optical diagnostics. 
The engine, a one-cylinder research engine, was deployed for the investigation of spray-
guided combustion initiated by a laser. Gasoline was used as a fuel here. The focus of 
sustainability is on laser ignition for enhanced combustion and efficiency. 
2.1  Laser ignition and concurrent Schlieren photography in a combustion bomb 
The laser ignition experiments in the constant volume vessel were carried out with hydrogen 
and biogas. The experimental setup and tests with methane are outlined in [2]. 
A pulsed Nd:YAG laser with pulse energies from 1 to 50 mJ was used for the ignition tests. 
Table 1 lists the specifications of the laser. 
Schlieren photography was conducted in the plane of the focal spot of the igniting laser. 
Perpendicularly to the igniting laser beam, a collimated light beam from a flash lamp (1 µs 
pulse duration) was shone through the combustion vessel. As the diffraction index of light 
depends on the type and mass density of a gas, areas with different temperatures or different 
pressures have different  diffraction  indices. So a parallel beam of light is diffracted  at 
differences of temperature and pressure and the diffraction angle is proportional to the first 
derivate of these parameters [18]. The experimental setup for the Schlieren experiments is 
outlined in [19]. 
2.2  Laser ignition in an internal combustion engine 
A one-cylinder research engine was used as a test engine. The research engine was equipped 
with a four-valve DOHC cylinder head with a spray-guided combustion system of AVL List 
GmbH [20]. In a double-overhead-camshaft (DOHC) layout, one camshaft actuates the intake 
valves, and one camshaft operates the exhaust valves. Gasoline was used as a fuel. The same 
laser as in the combustion bomb tests in 2.1 was used (see Table 1). 
In Table 2 the key technical data of the test engine are listed. 
VB.NET Image: Image Resizer Control SDK to Resize Picture & Photo
NET Method to Resize Image & Picture. Here we code demo, which you can directly copy to your provide powerful & profession imaging controls, PDF document, image
copy image from pdf to ppt; paste image into pdf reader
C# HTML5 Viewer: Deployment on ASP.NET MVC
under Views according to config in picture above. RasterEdge.XDoc.PDF.HTML5Editor. dll. Open RasterEdge_MVC3 DemoProject, copy following content to your project:
paste picture into pdf; how to copy pdf image to powerpoint
5
Engine test runs were carried out with two different approaches. 
First, a plane window was inserted into the cylinder head of the engine. A focusing lens was 
placed in front of that window in order to focus the laser beam down into the combustion 
bomb (“separated optics”). 
Second, a more sophisticated window was deployed. A lens-like curvature was engraved 
directly into the window. By using such a special window, no further lens was required 
(“combined optics”). 
This is depicted schematically in Fig. 2. 
Results and discussion 
3.1.1.  Laser ignition of hydrogen/air mixtures 
Fig. 3 depicts  a pressure history of combustions for different mixtures (λ) at an initial 
chamber  temperature  of  473 K  and  an  initial  pressure  of  1 MPa.  Comparable  pressure 
histories could be seen for higher initial pressures. λ is the so called air/fuel equivalence ratio: 
λ < 1 signifies a fuel-rich mixture, whereas λ > 1 describes a fuel-lean mixture. 
Between λ = 2.5 and 3.6 (14.4% and 10.4% H
2
) an oscillating pressure history could be 
observed having a frequency in the lower kHz region which is the resonant frequency of the 
combustion bomb [11]. The oscillating combustion process is called knocking, which means 
that the combustion propagates not only by a spherical flame front, starting from the plasma 
but also that the mixture explodes at different locations in the end-gas (unburned gas) as an 
effect of self ignition conditions [11]. With “rich” hydrogen-air mixtures (λ < 3.6) the flame 
propagates at a specific instant during the combustion time with sonic velocity through the 
gas and produces high pressure and temperature values in the end-gas region leading to auto 
ignition [11]. This auto ignition process produces shock waves which are reflected from the 
chamber walls and end in oscillations which can be observed in Fig. 3 for a λ between 2 and 
3.6. Knocking is very disadvantageous for engine applications. 
Pressure  histories  for  a  constant  gas  mixture  (λ = 3.5)  and  constant  initial  temperature 
(T = 473 K) but different initial filling pressures are plotted in Fig. 4. The main result of this 
diagram is that with higher initial pressures the minimum pulse energy for ignition (MPE) is 
decreasing like it was observed for methane-air mixtures in [2,6,9,10]. Further on, it can be 
seen that with higher initial pressures, which means higher energy contents in the combustion 
bomb , the peak pressures increases. Gas mixtures with λ = 3.5 represent the leaner boundary 
where knocking starts, as depicted in Fig. 4. Especially at this boundary knocking occurred 
only at lower filling pressures. With higher initial filling pressures no knocking could be 
observed. Richer gas mixtures only have a knocking combustion with no dependency on the 
filling pressure. 
3.1.2.  Laser ignition of biogas/air mixtures 
Biogas is CO
2
-neutral and can act as a promising alternative fuel having a high availability. 
The two most common sources of biogas are digester gas and landfill gas. Bacteria form 
biogas during anaerobic fermentation of organic matters. The degradation is a very complex 
process and requires certain environmental conditions. Biogas is primarily composed of CH
(50-70%) and CO
(25-50%). Digester gas is produced at sewage plants during treatment of 
municipal and industrial sewage. Landfill gas is obtained during decomposition of organic 
waste in sanitary landfills. When using biogas as fuel one must also pay attention to several 
harmful  ingredients such as  H
2
S polluting e.g. the catalytic  converter  of  the  engine  or 
blocking the window of the laser (see later for issues related to the window). 
With respect to laser ignition, biogas was compared to methane. 
VB.NET PDF remove image library: remove, delete images from PDF in
edit, C#.NET PDF pages extract, copy, paste, C# Support removing vector image, graphic picture, digital photo, scanned or all image objects from PDF document in
how to cut and paste image from pdf; paste image into preview pdf
C# PDF remove image library: remove, delete images from PDF in C#.
Image: Copy, Paste, Cut Image in Page. Link: Edit Support removing vector image, graphic picture, digital photo remove multiple or all images from PDF document.
copying a pdf image to word; how to copy pdf image into word
6
The  investigated  methane/air  and  biogas/air  mixtures  contained  similar  methane 
concentrations but in the case of biogas additionally CO
2
was present. 
Fuel-lean biogas/air mixtures exhibit a slower combustion process resulting in lower peak 
pressure  and  flame  emission  compared  to  methane-air  mixtures  of  similar  air  to  fuel 
equivalence ratio. 
The reason for these results could be due to the presence of CO
2
in the biogas which reduces 
the burning velocity due to obstructing the flame propagation during combustion. SO
2
may 
also be responsible for the decreased burning rate of the biogas/air mixtures reducing mainly 
the O-radical concentration to equilibrium state due to the recombination of the O-radicals 
[21]. In Fig. 5, images of the developing flame kernel in laser ignited biogas/air mixtures are 
depicted (see below). 
More details on laser ignition of biogas/air mixtures can be found in [21]. 
3.1.3.  Shockwave and flame kernel development by Schlieren photography 
Schlieren photography was used to obtain visual information on the shock wave formation 
and flame kernel development. 
Schlieren photography is an experimentally uncomplicated technique that has been applied 
successfully to the investigation of laser ignition, too. 
However, the literature contains very scarce information on pressures higher than ambient. In 
this study, high pressure tests were done. 
Fig. 5 shows Schlieren photographs of laser ignition test runs. In all images, the laser enters 
from the left side. The images are 11.6 mm long and 9.15 mm high. 
In the top row, images of the laser-induced spark and shock wave in pure air at 25 bar can be 
seen. 
In the middle row, consecutives images of laser-ignition of H
2
/air mixtures at 25 bar and 
lambda 6.0 are shown. 
The bottom row shows Schlieren images of laser-ignition of biogas/air mixtures at 25 bar and 
lambda 1.8. 
The shock wave carries two major implications on laser ignition: First, it transports energy 
away from the ignition spot. Second, it causes a significant temperature rise. 
When the shock wave has detached from the hot core air, both phenomena can be studied 
independently. The shock wave initially has an ellipsoidal shape caused by the asymmetric 
energy deposition of the laser.  
Results and trends from the literature, predominantly existing in the ambient pressure regime, 
could be verified using Schlieren photography. 
More information on Schlieren photography of laser ignition can be found in [19]. 
3.2  Engine tests 
Engine tests were conducted to investigate the optical window with respect to 
•  Durability of the optics (vibrations) 
•  Minimum ignition energy 
•  Wear and fouling properties of the inner window surface 
The engine tests were conducted with gasoline. Whereas the focus of the previous tests and 
ongoing work in a static combustion bomb was on the understanding of the ignition process, 
the aim of the engine tests was to investigate the durability of the optical window. 
7
3.2.1  Optics deposits and self-cleaning effect 
As stated above, laser ignition is based on the principle of optical breakdown and thus it is 
essential to provide the necessary intensity which is approximately 10
11
W/cm
in the focus. 
The energy emitted from the laser is attenuated by reflections on the surface of the window 
and the lens and by absorption in the lens, in the combustion-chamber window and in the 
deposits  on  the  windows.  The  transmission  of  typical  windows  in  the  infrared  is 
approximately 90%; the reflections on the surfaces further reduce the energy. Adding it up, 
when the laser beam passes through a window or a lens, the losses amount to approximately 
15%. 
The laser self-cleaning effect was studied with deposits from the “true” combustion process 
(3.2.2), and also with artificially applied deposits (3.2.3). 
3.2.2  Laser self-cleaning with deposits caused by the combustion process 
Fig. 6 shows the cold start performance of the engine with a soiled window. Here, the deposits 
stemmed from a real combustion process inside the engine (see [22] for details). 
These deposits, which were caused by the combustion process, were built up during the tests 
with a conventional spark plug. Thereby the combustion-chamber window was installed in 
different load points, the engine running mode being homogeneous, for about 20 hours. As it 
can be seen in Fig. 6, the window was soiled with a dark and opaque layer of combustion 
deposits after these 20 hours. 
In the  simulated cold-start test with a stratified  engine  running mode with   1000 rpm 
(rotations per minute) and p
MEP
= 1 bar, the p
MEP
course was recorded for each cycle, as 
shown in Fig. 6 (MEP = mean effective pressure). The first ignition and injection impulse 
occurred at cycle 10. 
The first laser impulse already ignites the mixture. The following ignition impulses resulted in 
a running without misfire. After the test (100 cycles) the window was disassembled and, as 
visible in Fig. 6, all deposits were removed in the beam passage area. 
3.2.3  Laser self-cleaning with “worst case” deposits 
In order to study the effect of the laser on a  heavily soiled window,  it was chosen to 
artificially apply a layer of dirt onto the window. 
This artificially applied soiling on the combustion-chamber side of the window represents a 
kind of “worst case scenario”. 
For doing so, a mixture of Diesel soot and waste oil at a ratio of 1:5 was produced and, with a 
thickness of 1 mm, applied to the combustion-chamber window and afterwards dried.  
Fig. 7 shows the clear influence of the laser energy on the self-cleaning effect of the optics. 
Up to a build-up energy of the threshold energy E
S,
an engine operation without misfire is 
possible  with  a  separated  optics  configuration,  presupposed  that  a  corresponding  pulse 
number for the burning-off of the window is shot. This build-up energy E
is significantly 
higher in combined optics when aiming to reach a misfire rate of 0%. The relative laser 
energy was replaced by the actually occurring relative energy intensity I on the combustion-
chamber side of the window in Fig. 8. 
An  engine  operation  without misfire  with  both  optics configurations, i.e. separated and 
combined optics (see Fig. 2), is possible as of a build-up intensity of I
S
. In separated optics 
this build-up intensity I
S
corresponds to the build-up energy of E
S. 
8
However, the minimum intensity for keeping the combustions-chamber window clean during 
the engine running is I
S
/2. 
The minimum ignition energy when the engine running is stationary is determined by the 
intensity level of self-cleaning at the optics, and not by the engine-related working process. In 
the whole engine operating map a secure ignition and self-cleaning of the optics can be 
guaranteed with the laser energy E
S
For cold start applications, the laser energy should thus be raised momentarily in order to burn 
off possible deposits at the optics. 
Fig. 9 shows the laser energy for the different window configurations (compare Fig. 2). Both 
the minimum ignition energy (left bar) and the laser energy for a 20 hour test run (right bar) 
are shown. 
As it can be clearly seen, the combined optics are more favorable than the separated optics 
with respect to required laser energy. 
The energy density at the window is a major criterion for the ablation of combustion bomb 
deposits. 
During cold start, heating up and in the case of existing deposits only a high laser energy 
density can ensure the ablation effect at the location of the laser. 
The energy density is therefore an important determinant on the reliability of a future laser 
ignition system. 
As it can be seen from Fig. 10, the energy density is by an order of magnitude higher for the 
separated optics than for the combined optics for the chosen configuration. 
The separated optics scheme leads to a higher energy density at the window. Especially in the 
case of cold start or unexpected deposits, this setup should be more reliable than the combined 
optics. 
As can be seen from Fig.9 and Fig.  10, there is a trade-off  between low laser  energy 
requirements (combined optics) and system reliability (separated optics). 
From an engine manufacturer’s point of view, system reliability comes first, which translates 
into higher required laser energies and hence higher system costs. 
3.2.4  Properties of the optical window 
Potential window materials evidently have to be transparent for the laser radiation. The laser 
used in these tests was a Nd:YAG laser at 1064 nm. The near infrared spectral region is a 
common  wavelength  region  for  laser  suitable  for  laser  ignition  test  runs.  So  infrared 
transparent windows are good candidates for a future laser ignition system. 
The second, no less important prerequisite is that the window withstand the high energy 
density of the laser. The shorter the focal length of the lens, the higher generally the laser light 
intensity of the passing laser beam becomes at the window surface. 
Third, the window must show a weak inclination to deposits and aid laser self-cleaning. 
Combustion bomb deposits can either be organic (up to 300°C) or inorganic in nature. When 
they form on the window, they increasingly block the incoming laser light up to a point where 
no  breakdown  can  be produced any more. In [16],  for  instance,  laser  ignition  tests  of 
methane/air mixtures in an engine had to be aborted after 1.25 hours because of excessive 
combustion product build-up. ZnSe was used in that study. 
The formation of deposits on the window depends on the temperature, the fuel and the engine 
oil. 
9
The laser light also interacts with deposits. By a process called laser cleaning or ablation [23], 
deposits are removed by the laser light. The contrary can also happen, i.e. that the laser fosters 
the formation of deposits at the location where it enters the combustion chamber. 
Generally, ablation overweighs so that a kind of  self-cleaning effect as shown above is 
achieved by the laser. 
Sapphire, quartz and ZnSe are among potential window materials in a future laser ignited 
engine. 
[24] reviews the major infrared transparent substrates suitable for window fabrication. 
Conclusion 
In this work, laser-induced ignition of hydrogen/air and biogas/air mixtures was investigated 
experimentally in a static combustion bomb. An enhanced ignition source can make a strong 
contribution to sustainability in internal combustion engines. 
Schlieren photography was applied to gain information on the shock wave propagation and 
early flame kernel development. 
Results and trends from the literature, predominantly existing in the ambient pressure regime, 
could be verified. 
It was found for the laser ignition tests with hydrogen that with higher initial pressures the 
minimum pulse energy for ignition (MPE) decreases. That behaviour was also found for 
methane. 
Fuel-lean biogas/air mixtures exhibit a slower combustion process resulting in lower peak 
pressure  and  flame  emission  compared  to  methane-air  mixtures  of  similar  air  to  fuel 
equivalence ratio. 
The applicability of the laser induced ignition as a future ignition system for combustion 
engines with spray-guided combustion process could be proved with the basic research. 
The lowest required ignition energy in a stationary engine running mode is defined by the 
intensity level of the self-cleaning effect at the optics and not by the engine-related working 
cycle. 
In order to prevent deposits on the optics by the combustion process, a certain build-up 
intensity I
S
has to be available on the combustion bomb side of the window in order to ensure 
an engine operation without misfire. 
The energy intensity necessary to keep the burnt off optics clean during the normal engine 
operation is, however, lower. Half the build-up intensity I
S
has proven to be sufficient in order 
to prevent deposits. 
From the point of view of components development, the main goal is the creation of a laser 
system which meets the engine-specific  requirements.  Basically,  it  is  possible  to  ignite 
mixtures with different laser systems. The concept with the greatest development potential 
regarding efficiency and miniaturization is the diode pumped solid-state laser. 
Acknowledgements 
This work was supported by the Austrian Industrial Research Promotion Fund (FFF) under 
Grant FFF 803050 and by the A3 project number 806238/7782. 
The authors want to thank Heinrich Kofler for his contribution with work related to the optical 
window. They also want to thank Kurt Iskra for his contribution to the Schlieren photography. 
10
References 
[1] Lackner, M., Winter, F., What is ignition? Combustion File 256, IFRF Online Combustion 
Handbook,  ISSN  1607-9116,  International  Flame  Research  Foundation,  Ijmuiden,  The 
Netherlands, (2004). 
[2] H. Kopecek, M. Lackner, F. Winter, E. Wintner, Laser ignition of methane air mixtures at 
pressures up to 4 MPa, Journal of Laser Physics 13 (11), 1365 (2003). 
[3]  Kopecek,  H.,  Lackner,  M.,  Wintner,  E.,  Winter,  F.,  Laser-Stimulated  Ignition  in  a 
Homogeneous Charge Compression Ignition Engine, SAE 2004 World Congress, paper No 
2004-01-0937, Detroit, MI, USA (2004). 
[4] J. D. Dale, M. D. Checkel, P. R. Smy, Application of High Energy Ignition Systems to 
Engines, Prog. Energy Combust. Sci. 23, 379-398 (1997). 
[5] Ronney P.D., Laser versus conventional ignition of flames, Optical Engineering 33(2), 
510 (1994). 
[6] Phuoc T.X., White F.P., Laser-induced spark ignition of CH4/air mixtures, Combustion 
and Flame 119, 203-216 (1999). 
[7] Radziemski L.J., Cremers D.A., Laser-induced plasmas and applications, New York-
Basel: Marcel Dekker Inc., (1989). 
[8] Yablonovich E., Self phase modulation and short pulse generation from laser breakdown 
plasmas, Phys. Rev. A10, 1888-1895 (1975). 
[9] Phuoc T., Laser spark ignition: experimental determination of laser-induced breakdown 
thresholds of combustion gases, Optics Communication 175, 419-423 (2000). 
[10] Kopecek H., Charareh S., Lackner M., Forsich C., Winter F., Klausner J., Herdin G., 
Wintner E., Laser Ignition of Methane-Air Mixtures at High Pressures and Diagnostics, 
Salzburg, Austria: Proceedings of ICES03, Spring Technical Conference of ASME Internal 
Combustion Engine Division (2003). 
[11] Heywood J.B., Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill international 
editions (1988). 
[12] Phuoc T.X., Single-point versus multi-point laser ignition: Experimental measurements 
of combustion times and pressures, Combustion and Flame 122, 508-510 (2000). 
[13]  Morsy  M.H.,  Ko  Y.S., Chung  S.H.,  Cho  P.,  Laser-induced two  point  ignition  of 
premixture with a single-shot laser, Combustion and Flame 125, 724-727 (2001). 
[14] Morsy M.H., Chung S.H., Laser induced multi-point ignition with a single-shot laser 
using  two  conical  cavities  for  hydrogen/air  mixtures,  Experimental  Thermal  and  Fluid 
Science 27, 491-497 (2003). 
Documents you may be interested
Documents you may be interested