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Mit Laserzündung in ein neues … – Information Centre – Research & Innovation

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Bis Elektroautos und andere energieeffiziente Innovationen praxistauglich und für alle erschwinglich sind, laufen die Verbrennungsmotoren mit den dabei unvermeidlichen Treibhausgasemissionen weiter. Um die Umweltbelastung zu senken, hat ein EU-finanziertes Forschungsteam neue Laserzündungsverfahren entwickelt, dank derer Verbrennungsmotoren viel energieeffizienter arbeiten könnten.


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© INFLPR, Nicolaie Pavel, 2020

Die weltweit zunehmende Besorgnis über die negativen Auswirkungen der Treibhausgasemissionen auf Umwelt und Gesundheit hat gemeinsame Maßnahmen nach sich gezogen. Beispielsweise hat die Europäische Kommission strenge Emissionsgrenzwerte für Industrie und Verkehr festgelegt und sie investiert in die Erforschung sauberer Energien.

Dennoch besteht ein allgemeiner Konsens, dass auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe basierende Motoren weiterhin im Einsatz bleiben, bis alternative Lösungen (wie zum Beispiel Elektroautos) für alle bezahlbar sind. „Und selbst wenn Alternativen dieser Art weithin verfügbar sind, werden wir die Verbrennungsmotoren immer noch brauchen“, sagt Nicolaie Pavel, Koordinator des Projekts LASIG-TWIN, vom Nationalen Institut für Laser-, Plasma- und Strahlenphysik (INFLPR) in Rumänien.

Erforschung der Laserzündung

Das Ziel des EU-finanzierten Projekts LASIG-TWIN lautete, effizientere Verfahren zur Zündung von Kraftstoffen in Verbrennungsmotoren, mit denen zum Beispiel Autos fahren, zu erforschen. Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts dient die gute alte elektrische Zündkerze zuverlässig der Zündung. Das Projektteam stellte sich nun die Frage, ob alternative Zündungen – etwa die Laserzündung – den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren steigern könnten.

„Wir wollten mehr darüber wissen, welche Vorteile die Laserzündung bringen könnte“, erklärt Pavel. „Zu diesem Zweck haben wir zwischen dem INFLPR und seinem Labor für Festkörper-Quantenelektronik in Rumänien und vier weiteren renommierten Instituten in Deutschland, Frankreich und im Vereinigten Königreich ein Netzwerk geschaffen. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Weiterbildung und dem Erfahrungsaustausch auf dem Gebiet der Laserzündung.“

Innerhalb des Netzwerks wurde viele verschiedene Verfahren untersucht und erprobt. Dazu zählten Methoden zum Verbinden optischer und metallischer Werkstoffe sowie zur Gehäusegestaltung, damit Laserzündkerzen konstruiert werden können. Besuche bei den Partnerinstitutionen wurden organisiert, um gewonnene Erkenntnisse auszutauschen und gemeinsame Experimente durchzuführen.

„Diesen Besuchen folgten oft Workshops, an denen Universitäten, Forschungsinstitute und private Unternehmen teilnahmen“, fügt Pavel hinzu. „Auf diese Weise konnten wir das Interesse der Industriepartner an der Laserzündung steigern und größere Aufmerksamkeit wecken.“

Es wurden zwei Sommerschulen für Studierende und junge Forschende auf dem Gebiet der Laserzündung abgehalten, wobei erfahrene Fachleute aus der Projekt- und Universitätsforschung den Unterricht erteilten. Gleichermaßen trugen internationale Veranstaltungen, etwa die Laser Ignition Conference 2017 in Bukarest dazu bei, den Bekanntheitsgrad des Projektprofils zu steigern.

Energieeffiziente Verbrennung

Die länderübergreifende Zusammenarbeit und Weiterbildung mündete in der erfolgreichen Entwicklung des Prototyps einer Laserzündkerze. Die Ergebnisse wurden in Form eines vielfach heruntergeladenen Artikels in der Fachzeitschrift Optical Engineering veröffentlicht. Im Jahr 2018 konnte die Innovation in einem Vierzylinder-Pkw-Benzinmotor mit Mehrpunkteinspritzung erprobt werden.

„Die Neuerung bei diesen Tests bestand darin, dass der Motor mit mageren Luft-Benzin-Gemischen lief (wobei die Konzentration von Luft im Kraftstoff höher als üblich ist)“, berichtet Pavel. Das bedeutet einen weniger umweltschädlichen Kraftstoff. „Wir konnten auch nachweisen, dass die Laserzündung derart magerer Luft-Kraftstoff-Gemische tatsächlich eine verbesserte Motorleistung im Vergleich zur Zündung mit elektrischer Zündkerze bewirken kann.“

Auch die Entwicklung eines kompakten Laserzündungssystems für stationäre Gasmotoren, wie sie in Fabriken und Kraftwerken zu finden sind, ist dank der Ergebnisse vorstellbar. Hier wäre eine effiziente und energiereiche Verbrennung bei geringeren Emissionen möglich. Es ist zudem davon auszugehen, dass die Laserzündung bei Motoren, die mit ultramageren Wasserstoff-Luft-Gemischen unter hohem Druck betrieben werden, zum Einsatz kommen könnte.

Pavel zeigt sich zuversichtlich, dass die Laserzündung bei speziellen Anwendungen, wie z. B. bei Antriebssystemen für den Weltraumtransport der Zukunft oder beim Betrieb großer Erdgas-Kolbenmotoren, von Nutzen sein wird. Das Interesse an dieser Laseranwendung hängt gleichzeitig davon ab, ob es gelingt, die Automobilhersteller ins Boot zu holen, und ob sie bereit sind, in die erforderlichen Forschungs- und Materialressourcen zu investieren.

„Beachtet werden sollte, dass Laserzündungssysteme nur dann billiger werden, wenn sie im großen Maßstab zum Einsatz kommen können“, merkt Pavel an. „Außerdem müssen wir die Tests weiterführen, um sicherzustellen, dass diese Geräte mit der einfachen und preiswerten elektrischen Zündkerze konkurrieren können.“

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