Hightech-Laserzündung kann herkömmliche Zündkerze ersetzen

Mit Laserimpulsen im Brennraum wird Plasma auf Temperaturen bis zu 100.000 Grad Celsius erhitzt. Eine Druckwelle entzündet schließlich das Gasgemisch. So eine Hightech-Zündung macht Motoren effizienter und reduziert die Schadstoffemission. Die herkömmliche Zündkerze hat damit ausgedient.

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An der Universität Bayreuth ist ein neues, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördertes Projekt gestartet, das die Potenziale der Laserzündung ausloten und grundlegendes Know-How für industrielle Anwendungen erarbeiten wird.

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, Licht-Impulse 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 Celsius 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.

Unter geeigneten technischen Randbedingungen ist es nach diesem Prinzip möglich, 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. „Dr. Sreenath Gupta vom Argonne National Laboratory in den USA hat kürzlich nachgewiesen, dass Laserzündung die Chance bietet, stickstoffhaltige Abgase um bis zu 70 Prozent zu senken“, erklärt Sebastian Lorenz, der das Vorhaben am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTT) koordiniert.

Forschungsarbeiten im Bayreuth Engine Research Center: Methanflamme an dem durch eine Laserimpulskette erzeugten Plasma. (Dipl.-Phys. Sebastian Lorenz, Universität Bayreuth; zur Veröffentlichung frei.)

Forschungsarbeiten im Bayreuth Engine Research Center: Methanflamme an dem durch eine Laserimpulskette erzeugten Plasma. (Dipl.-Phys. Sebastian Lorenz, Universität Bayreuth; zur Veröffentlichung frei.)

Viele im Labor bewiesene Vorteile von passiv gütegeschalteten Lasern sind zur Zeit aber noch nicht auf reale Kraftwerke und Motoren übertragbar“, fährt der Bayreuther Wissenschaftler fort. „Unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind deshalb darauf ausgerichtet, wichtige noch offene Fragen zu beantworten. Wir wollen grundlegendes technisches Wissen erarbeiten, das von der Industrie für die Herstellung marktfähiger Laserzündkerzen unmittelbar genutzt werden kann.“

Vor allem soll zunächst geklärt werden, wie sich eine Impulsketten-Laserzündung auf den Zündverlauf auswirkt, beispielsweise auf die Bildung eines Flammenkerns und die Flammenausbreitung. Darauf aufbauend, will das 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. Denn präzise Erkenntnisse darüber, wie sich der Zündverlauf und der Strömungsverlauf zueinander verhalten, sind für die Betreiber von Gaskraftwerken und für die Automobilindustrie unentbehrlich, wenn sie die Laserzündung kostengünstig nutzen wollen.

Den Kraftstoffverbrauch zu verringern und schadstoffhaltige Emissionen zu senken – diese Ziele stehen im Fokus der industriellen Weiterentwicklung motorischer Brennverfahren. Insbesondere die Betreiber von Gaskraftwerken und Automobilhersteller haben ein starkes Interesse daran, den Einsatz von Brenn- und Kraftstoffen wirtschaftlicher und zugleich umweltfreundlicher zu gestalten.

Die dabei verfolgten Konzepte haben allerdings zur Folge, dass der Druck im Brennraum erheblich ansteigt und das Gasgemisch eine viel höhere Strömungsgeschwindigkeit hat. Daraus ergeben sich technische Anforderungen an die Zündung, die von herkömmlichen Zündkerzen nicht ausreichend erfüllt werden können.

Daher gilt schon seit vielen Jahren die Laserzündung als eine aussichtsreiche Alternative. Doch wegen ungelöster wirtschaftlicher und technischer Fragen konnte sie sich bisher nicht durchsetzen. Die Forscher in Bayreuth wollen die Strömungs- und Zündungsprozesse im Brennraum mit größtmöglicher Präzision analysieren und Know-How für künftige industrielle Anwendungen erarbeiten.

„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 Lorenz.

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