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Sparsam und sauber: Neue Plasmazündkerze für Gasmotoren

Die vom Prof. Dr. Holger Heuermann an der FH Aachen entwickelte Plasmazündkerze hat alle Tests bestanden und ist nun zunächst für stationäre Erdgas-Motoren wie in BHKWs eine sparsame und saubere Alternative.

Plasmazündkerze Bildquelle: © FH Aachen / Arnd Gottschalk

Plasmazündkerze, entwickelt im Labor von Prof. Dr. Holger Heuermann (Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der FH Aachen)

Ottomotoren haben durch Dieselgate trotz Diskussion um Stickoxid- und Feinstaubemissionen Aufwind erhalten. Die Frage, wie sie durch technische Verbesserungen abgasärmer und sparsamer gemacht werden können, beschäftigt trotz des Hypes um die Elektromobilität nach wie vor die Forschung.

Ein Weg zu sauberen Motoren läge in der Verwendung eines relativ mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches zur Verbrennung im Zylinder, zumal Magermotoren einen erhöhten Wirkungsgrad besitzen. Durch die niedrige Verbrennungstemperatur bilden sich kaum Stickoxide und der hohe Sauerstoffanteil vermindert die Bildung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Gasdruck und Temperatur sind bei der Zündung allerdings höher und normale elektrische Zündkerzen scheiden durch hohe Beanspruchung und Verschleiß hier aus. Die Entwicklung der »Laserzündkerze« blieb ebenfalls erfolglos.

Prof. Heuermann von der FH Aachen entwickelte auf Basis seiner patentierten Plasmatechnologie eine neue Zündkerze, die ein Gas erzeugt, das aus freien Ladungsträgern besteht, also Ionen oder Elektronen. Dieses Plasma ersetzt den Zündfunken und ist durch ein rosa-violettes Flackern erkennbar.

»Der Kern unserer Entwicklung ist die Ansteuerelektronik«, erklärt Prof. Heuermann. 2016 war dem FH-Forscherteam der Durchbruch gelungen, als es gelang, einen vollständigen integrierten Schaltkreis (engl. Integrated Circuit, IC) 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 im Mikrowellenbereich (2,45 Gigahertz) bereitgestellt werden.

»Wir können eine Bandbreite von etwa 80 Megahertz innerhalb des Mikrowellenspektrums nutzen«, sagt Prof. Heuermann, »damit kann die Frequenz variiert werden, um eine möglichst hohe Energieaufnahme und damit eine effiziente Plasmaerzeugung zu gewährleisten.« Die ICs messen die tatsächlich anfallenden Signale und vergleichen sie mit einem Referenzsignal, in einer Rückkopplungsschleife wird die Frequenz angepasst.

Nach den letzten Druckkammertests resümiert Heuermann: »Wir können nunmehr in der Druckkammer bei 25 bar und in der Zukunft bei bis zu 40 bar zuverlässig und sauber zünden. Mit dem Druckkammertest haben wir bewiesen, dass unsere Zündkerze funktioniert«.

Der erste Einsatzort der Technologie könnten bereits in wenigen Jahren große stationäre Erdgas-Motoren, z.B. in Blockheizkraftwerken sein, weil hier der extreme Magerbetrieb wegen des gleichmäßigen Lastprofils am besten umgesetzt werden kann. Zum Einsatz verschiedener Brennstoffe, sogenannte  »Multi-Fuel«-Lösungen eignet sich die Technik perspektivisch auch. Für Automotoren mit ihren variierenden Drehzahlen und Leistungen gilt es vor einem erfolgreichen Einsatz noch, den Magerbetrieb auf unterschiedliche Betriebszustände anzupassen.