Uni­ver­si­tät Bay­reuth: Laser­zün­dung – Ersetzt High­tech die kon­ven­tio­nel­le Zündkerze?

Symbolbild Bildung

Ein neu­es DFG-geför­der­tes Pro­jekt erforscht die Poten­zia­le einer neu­en Zündungstechnologie

Den Kraft­stoff­ver­brauch zu ver­rin­gern und schad­stoff­hal­ti­ge Emis­sio­nen zu sen­ken – die­se Zie­le ste­hen heu­te 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.

Ein neu­es DFG-geför­der­tes Pro­jekt an der Uni­ver­si­tät Bayreuth

An der Uni­ver­si­tät Bay­reuth ist jetzt ein neu­es, von der Deut­schen For­schungs­ge­mein­schaft geför­der­tes Pro­jekt gestar­tet, das die Poten­zia­le der Laser­zün­dung wei­ter aus­lo­ten soll. Es wird die Strö­mungs- und Zün­dungs­pro­zes­se im Brenn­raum mit größt­mög­li­cher Prä­zi­si­on ana­ly­sie­ren und unent­behr­li­ches Know-How für künf­ti­ge indu­stri­el­le Anwen­dun­gen erar­bei­ten. Das Pro­jekt wird von Prof. 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“, freut sich Dipl.-Phys. 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, 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, Moto-ren 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.

Von der For­schung zur indu­stri­el­len Anwendung

„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 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. 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.

Inter­na­tio­na­le Auszeichnung

Das star­ke Inter­es­se der inter­na­tio­na­len Fach­welt an den mög­li­chen Vor­tei­len der Laser­zün­dung zeig­te sich im April 2014 bei der „2nd Laser Igni­ti­on Con­fe­rence“. Die­se Tagung war ein Teil der „OPIC 2014“, eines inter­na­tio­na­len Kon­gres­ses zur opti­schen Pho­to­nik, der in die­sem Jahr in Yoko­ha­ma (Japan) statt­fand. Für sei­nen Vor­trag, der sich mit dem Ener­gie­ein­trag und dem durch Laser­im­pul­se erzeug­ten Plas­ma befass­te, wur­de Dipl.-Phys. Seba­sti­an Lorenz mit dem „Young Sci­en­tist Award“ ausgezeichnet.

Ver­öf­fent­li­chung:

S. Lorenz, P. Heinz, W. Mühl­bau­er, S. Leh­mann, D. Brüggemann:
Cha­rac­te­rizati­on of Ener­gy Input and Laser-Indu­ced Plas­ma for Pas­si­ve­ly Q‑switched
Laser Ignition.
in: The 2nd Laser Igni­ti­on Con­fe­rence 2014, Yoko­ha­ma (Japan), April 2014