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Motorentechnik: Wann kommt die Laser-Zündkerze?

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Motorentechnik  

Wann ersetzt die Laserzündung die konventionelle Zündkerze?

31.10.2014, 14:35 Uhr | Andreas Burkert / Springer

Motorentechnik: Wann kommt die Laser-Zündkerze?. Laser-Zündkerze soll die traditionellen Zündkerzen ablösen (Quelle: Dipl.-Phys. Sebastian Lorenz, Universität Bayreuth)

Laser-Zündkerze soll die traditionellen Zündkerzen ablösen (Quelle: Dipl.-Phys. Sebastian Lorenz, Universität Bayreuth)

Die Laserzündung bietet die Chance, stickstoffhaltige Abgase um bis zu 70 Prozent zu reduzieren. Angesichts immer strengerer Vorgaben hinsichtlich der Fahrzeugemissionen, ist das eine gute Nachricht. Doch noch muss sich die Technik unter realen Bedingungen behaupten.

Mit Hochdruck den Kraftstoffverbrauch verringern und schadstoffhaltige Emissionen senken. Das gelingt unter anderem, wenn der Druck im Brennraum erheblich ansteigt und das Gasgemisch eine viel höhere Strömungsgeschwindigkeit hat. Allerdings ergeben sich daraus technische Anforderungen an die Zündung, "die von herkömmlichen Zündkerzen nicht ausreichend erfüllt werden können", schreibt Springer-Autor Richard Backhaus in seinem Beitrag "Zündende Ideen" für die MTZ.

Innovative Motorkonzepte erfordern seiner Ansicht nach neue Zündsysteme. Dabei ist die Geschichte der Zündung etwa so alt wie der Verbrennungsmotor selbst. Backhaus hat dazu die Entwicklungshistorie der Zündsysteme im Detail rekonstruiert - beginnend mit der Niederspannungs-Magnetzündung bis hin zum Corona-Zündsystem ACIS (Advanced Corona Ignition System). Das System soll übrigens schon 2016 auf den Markt kommen.

Laserzündung gilt als Alternative

Bis dahin dürfte sich eine neue Zündsystemtechnik einen Namen machen: Die Laserzündung. Schon seit vielen Jahren gilt sie als eine aussichtsreiche Alternative. Und deren Potenziale wollen nun Forscher der Universität Bayreuth weiter ausloten. In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördertem Projekt werden die Strömungs- und Zündungsprozesse im Brennraum mit größtmöglicher Präzision analysiert, um Erkenntnisse für künftige industrielle Anwendungen zu erarbeiten.

Robuste Laserzündkerzen für das Auto

Das Projekt wird von Professor Dr.-Ing. Dieter Brüggemann am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) geleitet und hat eine Laufzeit von drei Jahren. "Ein besonderer Vorteil dieses neuen Vorhabens liegt darin, dass wir alle Untersuchungen industrienah an Prototypen durchführen können, die uns von einem großen Automobilzulieferer zur Verfügung gestellt werden", so Sebastian Lorenz, der das Vorhaben koordiniert. Die geplanten Forschungsarbeiten werden teilweise im Bayreuth Engine Research Center (BERC) stattfinden, einer Forschungsstelle der Ingenieurwissenschaftlichen Fakultät der Universität Bayreuth.

Schadstoffsenkung und Effizienzsteigerung durch Laserzündung

Im Mittelpunkt des Projekts steht ein spezieller Typ von Laserzündkerzen, die aufgrund ihrer Funktionsweise als "passiv gütegeschaltet" bezeichnet werden. Sie sind sehr robust, können daher den Vibrationen und hohen Temperaturen eines Motors standhalten und sind zudem vergleichsweise kostengünstig. Diese Zündkerzen sind in der Lage, Lichtimpulse auszusenden, die in winzigen Abständen - zwischen 60 und 250 Mikrosekunden - aufeinander folgen.

Wird eine solche Impulskette auf einen bestimmten Punkt im Brennraum fokussiert, entsteht ein leuchtendes Plasma, das eine Temperatur von nahezu 100.000 Grad hat. Innerhalb einiger hundert Nanosekunden kühlt sich das Plasma ab und sendet eine Druckwelle aus. Diese setzt sich mit Überschallgeschwindigkeit im Brennraum fort und führt schließlich zur Zündung des Gasgemisches, das den Plasmakern umgibt.

Mehr Luft im Brennraum

Laut den Forschern ist es möglich, unter geeigneten technischen Randbedingungen nach diesem Prinzip, Motoren mit einem höheren Anteil an Luft im Brennraum zu betreiben. Mit solchen Motoren lässt sich die Effizienz - also das Verhältnis von erzeugter Energie zum Brennstoffverbrauch - steigern oder der Anteil giftiger Stickoxide im Abgas deutlich reduzieren. Laut Sreenath Gupta vom Argonne National Laboratory in den USA bietet die Laserzündung die Chance, stickstoffhaltige Abgase um bis zu 70 Prozent zu senken. Das sind erstaunliche Werte.

Verbrauch sinkt um bis zu 25 Prozent

Dennoch ist der Weg zur weitere Reduzierung der Abgasemissionen "eher evolutionär statt revolutionär", wie Bernhard Geringer, Professor und Vorstand des Instituts für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik an der TU Wien, im Interview mit der MTZ erläutert. Er erklärt etwa, warum dennoch "Verbrauchseinsparungen von bis zu 25 Prozent zu erwarten" sind. "In den nächsten 10 bis 15 Jahren gehe ich von einer Verbrauchseinsparung um 15 bis sogar 20 Prozent aus, auf der Basis aktueller, aufgeladener Ottomotoren mit Direkteinspritzung", so Professor Geringer.

Welche Vorteile die Laserzündkerze im realen Betrieb bringt, wollen die Forscher nun herausfinden. Vor allem soll geklärt werden, wie sich eine Impulsketten-Laserzündung auf den Zündverlauf auswirkt, beispielsweise auf die Bildung eines Flammenkerns und die Flammenausbreitung. Darauf aufbauend, will das Bayreuther Forschungsteam ermitteln, wie eine Laserzündung unter hohen Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Drücken optimal realisiert werden kann. Dabei geht es insbesondere um die technischen Parameter der hintereinander geschalteten Laserimpulse und um die Frage, wie die dadurch ausgelöste Zündung von der Strömung im Gasgemisch beeinflusst wird.

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