Zündende Ideen für Motoren

19. September 2004, 20:05
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Leise kündigt sich eine Revolution im Motorenbau an: die Ablösung der Zündkerze durch die Laserzündung, die die Talente des Otto-Direkteinspritzers besser zur Geltung bringen soll. Zwei österreichische Hightech- unternehmen, AVL List und CTR, haben nun gemeinsam einen ersten Prototypen entwickelt

Ob Vergaser, Saugrohr- oder seit kurzem auch Direkteinspritzung: Über die Zündkerze hat man sich in mehr als hundert Jahren Motorenentwicklung vergleichsweise wenig Gedanken gemacht: "Das war auch nicht notwendig, weil sie blendend funktioniert", bestätigt Ernst Winklhofer, Projektleiter für die Entwicklung der Laserzündung in der AVL List in Graz.

Das könnte sich aber ändern: Für die nächste Generation von direkteinspritzenden Benzinmotoren werden neue Brennverfahren entwickelt, die längerfristig auch die klassische Zündkerze ersetzen könnten. Mit Laserzündung, hoffen die Forscher, können Verbrauch und Emissionen weiter gesenkt werden. Motto: Wenn das zündfähige Benzin-Luft-Gemisch nicht zur Kerze will, muss die Zündung zum Gemisch gebracht werden.

Vorgeschichte . . .

Bislang konnte der Benzin-direkteinspritzer seine Talente nicht recht beweisen. Einer aufwändigen und kostspieligen Abgasnachbehandlung (Denox-Katalysator) stehen vor allem im Alltagsbetrieb nur geringe Verbrauchsvorteile gegenüber. Das grundsätzliche Sparpotenzial dieses Motorenkonzepts lässt sich nämlich nur bei niedrigen Drehzahlen und Lasten nutzen, weil man nur in diesem relativ engen Bereich mit einem mageren Benzin-Luft-Gemisch fährt. Das liegt unter anderem an einem sehr komplexen, so genannten wand- beziehungsweise luftgeführten Brennverfahren, bei dem der eingespritzte Treibstoff über speziell gestaltete Kolbenboden zur Zündkerze gebracht wird.

Um das zu umgehen, fährt man entweder von vornherein mit homogenem Gemisch wie in jedem herkömmlichen Ottomotor, wie dies etwa BMW, zuletzt auch Audi und VW tun. Auf diese Weise spart man sich die teure Abgasnachbehandlung, weil der Drei- wegekatalysator wieder voll wirksam ist, gewinnt sogar etwas Leistung und Drehmoment, verliert aber einen guten Teil des Verbrauchsvorteils. Oder man verbessert das Brennverfahren: Strahlgeführte Einspritzung wird die nächste Generation von direkteinspritzenden Benzinmotoren prägen. Dabei geht es darum, den Kraftstoff direkt vor die Zündkerze zu bringen und so den Benzin sparenden Schichtladebetrieb auszudehnen. In diesem Verfahren zeigt allerdings die Zündkerze erstmals Schwächen. Weil Turbulenzen im Zylinder nicht vermeidbar sind, wird die Zündkerze vom Benzinspray immer wieder zu ungenau oder auch zu direkt getroffen, mit der Konsequenz, entweder gar nicht oder falsch zu zünden oder durch Temperaturschock zerstört zu werden.

. . . und Revolution

Mit der Laserzündung könnten mehrere Probleme des Direkteinspritzers auf einen Schlag gelöst werden, so Winklhofer. "Ich gewinne größere Freiheitsgrade für den Zündort und kann den Brennraum beziehungsweise das Brennverfahren besser gestalten, weil keine Zündkerze mehr in den Zylinder ragt." Das Verschleiß- und Hitzeproblem der Zündkerze hätte sich auch erledigt. Das Gemisch kann direkt im Laserstrahl entzünden, der von außen durch ein Fenster in den Zylinder geschickt wird. Besonders für Brennverfahren mit inhomogenem, geschichtetem Benzin-Luft-Gemisch erwartet man sich dadurch erhebliche Fortschritte: bessere Verbrennung, höhere Effizienz, weniger Emissionen und weniger Verbrauch, bei annähernd gleicher Akustik. "Weil man keine Kompromisse mehr eingehen muss, was das Timing von Einspritzung und Zündung betrifft", erklärt Winklhofer. Dieses Zusammenspiel funktionierte nur in engsten Zeitintervallen wirklich zuverlässig.

Die Idee wird bereits seit 15, 20 Jahren untersucht. Das Problem bisher: "Die Laborlaser waren groß wie ein Tisch", so Winklhofer. Gemeinsam mit dem Kärntner Unternehmen Carinthian Tech Research (CTR) gelang es nun, die Laserzündung auf Dimensionen zu verkleinern, die Auto-kompatibel sind (siehe Kasten).

Von einer Serienfertigung ist man aber noch ein Stück weit entfernt, "über die Kosten wollen wir lieber nicht reden", so Winklhofer, vor allem nicht im Vergleich zum Massenprodukt Zündkerze. Am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau der TU Wien, wo in Zusammenarbeit mit der AVL schon seit einigen Jahren Grundlagenforschung zum Thema betrieben wird, sieht man vor allem noch drei große Aufgaben. Institutsvorstand Bernhard Geringer über den weiteren Entwicklungsbedarf: "Erstens der Laser selbst: Er muss noch kleiner, sicherer und viel billiger werden. Zweitens das Fenster zum Motor, was seine Haltbarkeit und Verschmutzung betrifft. Und drittens die Minimierung des Energieeinsatzes, weil der Laser grundsätzlich einen schlechten Wirkungsgrad von maximal fünf Prozent hat."

Ein Einzylinder-Testmotor läuft bereits auf den Prüfständen der AVL. Ernst Winklhofer will noch keine konkreten Werte nennen, aber mit einem Potenzial von um die fünf Prozent Verbrauchsverbesserung und einer noch deutlicheren Absenkung der HC-Emissionen durch die Laserzündung liege man nicht ganz falsch. Mögliche Massenfertigung für Pkw: "In etwa zehn Jahren." (Markus Honsig/DER STANDARD, Print-Ausgabe, 13. 9. 2004)

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