Miniaturlaser als Ersatz für Zündkerze in Form & Leistung

Die CTR - Carinthian Tech Research - entwickelte einen MINIaturlaser der künftig die Zündkerze ersetzen kann, wodurch sowohl Treibstoffverbrauch als auch Schadstoffemissionen reduziert werden.

Treibstoff sparen, Schadstoffe reduzieren und gleichzeitig die Leistung verbessern - diese AnForderungen haben wohl viele Autofahrer und auch Autohersteller. Die Ziele in die Praxis umzusetzen, daran arbeiten die Experten der CTR - Carinthian Tech Research AG - aus Villach und der AVL List GmbH, ein international führendes Motoren- und Messtechnik Unternehmen in Graz.

Gemeinsam haben Sie jetzt einen neuen Meilenstein in der Motorentwicklung gesetzt. Der Laser ersetzt die Zündkerze und bringt das Auto zum Laufen. Das Besondere dabei ist, dass es erstmals gelang, einen kompletten Laser mit ausreichender Leistung zum Zünden eines Benzin-Gemisches im Einbauraum einer Zündkerze unterzubringen. Bisher musste immer der Motor aufwendig an den Laser angepasst werden oder der Laserstrahl über Glasfasern in den Brennraum geführt werden.

Damit waren alle Versuche auf reine Forschungsarbeiten eingeschränkt. Jetzt passt sich der Laser in seiner Geometrie an den Motor an, und macht damit den Weg frei für "echte" Anwendungen.

Für AVL List ist neben der Laserform auch der Wirkungsgrad von Bedeutung. Hier hat die CTR eine effiziente Umsetzung der elektrischen Leistung erreicht: Die Elektronik der Laserzündung kann mit einer normalen 12V Autobatterie betrieben werden. Bisher hatte man stets versucht, die Dimension herkömmlicher Zündkerzen zu verkleinern. Der Zündkerzendurchmesser ist allerdings durch die Isolatoreigenschaften begrenzt. Bei der Laserzündkerze wird diese Begrenzung zusätzlich aufgehoben.

Ein MINIaturlaser mit vielen Vorteilen

Den Experten der CTR ist es damit gelungen, den Laser auf diese Zündkerzendimension zu MINIaturisieren und direkt im Motor zu integrieren. Zum Vergleich: Ein konventioneller Laser mit der gleichen Leistung ist ungefähr 10-mal so groß, wie der von CTR entwickelte Zündungslaser. Die Entwicklung wurde erst durch modernste Hochleistungs-Laserdioden ermöglicht.

Die Laserzündung bietet gleich mehrere Vorteile. Zum einen lässt der relativ frei wählbare Ort des Zündplasmas die Optimierung des Verbrennungsvorganges zu und ermöglicht gegebenenfalls auch eine Mehrfachzündung (Multipoint-Ignition). Im Gegensatz zu herkömmlichen Zündkerzen stehen bei der Laserzündkerze auch keine Teile in den Brennraum, was eine relativ vollständige, schadstoffarme Verbrennung erlaubt und einen geringeren Materialverschleiß nach sich zieht. Darüber hinaus lassen sich mit der Laserzündung noch magerere Gemische zünden, wodurch niedrigere CO2-Emmissionswerte erzielt werden.

Der Laserzündvorgang unter harten Bedingungen

Die Leistung des fokussierten Laserpulses ist ausreichend intensiv zur Erzeugung einer Plasmakugel, was zu einer lokalen Temperaturerhöhung führt und somit die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Otto-Motor ermöglicht. Der eigens von der CTR entwickelte Laser wurde bei AVL List erfolgreich am Testmotor erprobt. Die Kärntner Entwickler konzipierten den Laser, das Gehäuse zum Einbau in den Zündkerzenschacht, sowie die Ansteuerelektronik. "Das Laserzündungssystem ist für den Einsatz in Benzin- oder Gasmotoren entwickelt worden. Die größte HerausForderung dabei war, in einem kleinen Bauraum einen Laser zu integrieren, der den am Motor auftretenden Vibrationen standhält und auch bei hohen Temperaturen (bis zu 300° Celsius) stabil funktioniert.?, sagt Gerhard Kroupa, Projektleiter der CTR. Ruß und Ablagerungen am optischen Fenster im Brennraum werden durch den Laser selbst weggebrannt.

Theoretische Studien und Forschungen gibt es schon seit einiger Zeit. Erstmals ist es der CTR jetzt gelungen einen Laser-Protoyp dieser Dimension und Leistung herzustellen, der nach ersten Tests direkt am Motor erfolgreich funktioniert und als Basis für zukünftige Serienmotoren dienen kann. Schritte zur Patentierung und Weiterentwicklung des Systems wurden gemeinsam mit AVL in Angriff genommen.