15.06.2018

Zündendes Plasma

Benzinmotoren könnten mit einer neuen Plasma-Zündkerze effizienter werden.

Im Zuge von Dieselgate fährt der Ottomotor gerade seinem zweiten Frühling entgegen. Noch vor wenigen Jahren galten benzin­betriebene Aggregate als nicht zukunfts­tauglich, da der Spritverbrauch höher als bei vergleichbar starken Diesel­motoren war. Die Diskussion um Stickoxid- und Feinstaub­emissionen, um Gesundheits­schäden und Fahr­verbote hat dem Ottomotor Aufwind verschafft, und damit rückt auch die Aufgabe, diesen Motoren­typ sparsamer zu machen, wieder ins Zentrum. Forscher beschäftigen sich schon lange mit der Frage, ob dieses Ziel erreicht werden kann, indem man ein relativ mageres Kraft­stoff-Luft-Gemisch zur Verbrennung im Zylinder nutzt.

Abb.: Solche Plasma-Zündkerzen sollen Benzin- und Erdgasmotoren höhere Wirkungsgrade ermöglichen.  (Bild: FH Aachen, A. Gottschalk)

Mager­motoren sind in erster Linie wegen des erhöhten Wirkungs­grads interessant. Die Verbrennungs­temperatur ist vergleichs­weise niedrig, wodurch sich wenig Stickoxide bilden. Außerdem minimiert der hohe Sauerstoff­anteil die Bildung von Kohlen­monoxid und unverbrannten Kohlenwasser­stoffen. Probleme bereiten Mager­motoren allerdings, wenn es um die Zündung geht, da Gasdruck und Temperatur hoch sind und ein mageres Gemisch schwerer zu entzünden ist. Eine herkömm­liche elektrische Zündkerze ist hier nicht einsetzbar – der Verschleiß ist infolge der erhöhten Bean­spruchung zu groß. Auch der Versuch, Laserzünd­kerzen zu entwickelt, ist im Sande verlaufen. Hier kommt nun die Zündkerze ins Spiel, die Holger Heuermann auf der Basis seiner Plasma­technologie entwickelt hat.

Bei der Zündkerze wird der Zündfunke durch ein Plasma ersetzt, optisch erkennbar durch ein rosa-violettes Flackern. „Der Kern unserer Entwicklung ist die Ansteuer­elektronik“, erklärt Heuermann. 2016 war dem FH-Forscher­team der Durchbruch gelungen, als es erstmals gelang, einen voll­ständigen inte­grierten Schaltkreis auf einem gerade einmal zwei mal zwei Milli­meter großen Chip unter­zubringen. Diese Elektronik wird jetzt auch für die Zündkerze genutzt, sie sorgt dafür, dass die für die Plasma­erzeugung nötigen Frequenzen von 2,45 Gigahertz im Mikrowellen­bereich bereit­gestellt werden. „Wir können eine Bandbreite von etwa 80 Megahertz innerhalb des Mikrowellen­spektrums nutzen“, sagt Heuermann, „damit kann die Frequenz variiert werden, um eine möglichst hohe Energie­aufnahme und damit eine effiziente Plasma­erzeugung zu gewährleisten.“ Die Schalt­kreise messen die tatsächlich anfallenden Signale und vergleichen sie mit einem Referenz­signal, in einer Rückkopplungs­schleife wird die Frequenz angepasst.

„Mit dem Druck­kammertest haben wir bewiesen, dass unsere Zündkerze funk­tioniert“, sagt der FH-Forscher. Es sei denkbar, dass die Techno­logie in etwa zwei Jahren bereits zum Einsatz komme. Geeignet seien vor allem große stationäre Erdgas-Motoren, etwa in Blockheiz­kraftwerken. Hier können man einen extremen Mager­betrieb wegen des gleich­mäßigen Last­profils am besten umsetzen. Im Bereich der Auto­motoren bestehe die Heraus­forderung darin, dass Drehzahl und Leistung variieren. Somit sei es notwendig, den Mager­betrieb auf unter­schiedliche Betriebs­zustände anzupassen. In der Zukunft könnte die Techno­logie auch den Weg ebnen für „Multi-Fuel“-Lösungen, also den Einsatz verschiedener Brenn­stoffe in einem Motor.

Das Thema Zündkerze beschäftigt den Heuermann seit langem. „Zwölf Jahre hat es gedauert, bis wir das Patent bekommen haben“, sagt er. Zahlreiche Forschungs­anträge hat er geschrieben, mehrere Kooperations­projekte mit Unter­nehmen aus der Automobil- und Zuliefer­industrie wurden gestartet und verliefen doch ohne den gewünschten Erfolg. „Wenn wir in Deutschland bei Inno­vationen führend sein wollen, dann müssen wir Entwick­lungen aus der Forschung schneller zur Markt­reife bringen“, meint Heuermann.

FH Aachen / JOL

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