Forschungsarbeiten im Bayreuth Engine Research Center: Methanflamme an dem durch eine Laserimpulskette erzeugten Plasma.
Dipl.-Phys. Sebastian Lorenz, Universität Bayreuth
Im Rahmen eines neuen Forschungsprojektes an der Universität Bayreuth sollen die Potenziale der Laserzündung ausgelotet werden. Zugleich soll grundlegendes Knowhow für industrielle Anwendungen erarbeitet werden.
An der Universität Bayreuth wurde unter der Leitung von Professor Dr.-Ing. Dieter Brüggemann am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) die Arbeit an einem neuen, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt aufgenommen, das die Potenziale der Laserzündung ausloten soll. Es wird die Strömungs- und Zündungsprozesse im Brennraum mit größtmöglicher Präzision analysieren und Knowhow für künftige industrielle Anwendungen erarbeiten. Das Projekt 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", erläutert 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. Aufgrund ihrer Funktionsweise werden diese Laserzündkerzen als "passiv gütegeschaltet" bezeichnet. Sie sind sehr robust, können daher den Vibrationen und hohen Temperaturen eines Motors standhalten und sind zudem vergleichsweise kostengünstig, erläutern die Forscher. Diese Zündkerzen seien in der Lage, Lichtimpulse auszusenden, die in winzigen Abständen - zwischen 60 und 250 Mikrosekunden - aufeinander folgen. Werde eine solche Impulskette auf einen bestimmten Punkt im Brennraum fokussiert, entstehe ein leuchtendes Plasma, das eine Temperatur von nahezu 100.000 °C hat. Innerhalb einiger hundert Nanosekunden kühlt sich das Plasma ab und sendet eine Druckwelle aus, erläutern sie weiter. Diese setze sich mit Überschallgeschwindigkeit im Brennraum fort und führe schließlich zur Zündung des Gasgemisches, das den Plasmakern umgibt.
Unter geeigneten technischen Randbedingungen sei es nach diesem Prinzip möglich, Motoren mit einem höheren Anteil an Luft im Brennraum zu betreiben. Mit solchen Motoren lasse 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.