Forschungspreis 2019

Prof. Dr. Holger Heuermann erhält den Forschungspreis 2019

Auszeichnung für das Projekt Mikrowellen-Zündkerze für neue Magermotoren

Eine zündende Idee: Prof. Heuermann, Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik, ist beim Tag der Forschung mit dem Forschungspreis ausgezeichnet worden. Er darf sich über 10.000 Euro freuen, die in seine Projekte investiert werden. Die Forschungsarbeit beschäftigt sich mit einer neu entwickelten Plasmazündkerze für sparsamere Benzinmotoren.

Das Besondere: Die Verbrennungstemperatur ist bei Magermotoren vergleichsweise niedrig,
wodurch sich wenig Stickoxide bilden. Außerdem minimiert der hohe Sauerstoffanteil die Bildung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.

Was aber steckt hinter der Plasmatechnologie, auf der die neuentwickelte Zündkerze basiert? Mit dem Begriff Plasma bezeichnet man in der Physik ein Gas, das teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern, also Ionen oder Elektronen, besteht. 99 Prozent der sichtbaren Materie im Universum besteht aus Plasma. Natürliche Plasmen auf der Erde findet man etwa in Blitzen, auch Flammen sind plasmaähnlich. Bei der Zündkerze wird der Zündfunke eben durch dieses Plasma gebildet, optisch erkennbar durch das rosa-violette Flimmern. In der Zukunft könnte die Technologie auch den Weg ebnen für sogenannte „Multi-Fuel“-Lösungen, also den Einsatz verschiedener Brennstoffe in einem Motor. „In nächster Zeit werden wir noch einiges von dieser innovativen Technologie hören“, sagt der FH-Forscher.

ausführliche Informationen zum Forschungspreis 2019

Projektbeschreibung

Mikrowellen-Zündkerze für neue Magermotoren

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Es ist allgemein bekannt, dass man bei der Entwicklung von Ottomotoren den optimalen Wirkungsgrad bei geschätzter CO2-Ersparung von 25 % und viele weitere deutliche Schadstoffreduktionen durch den Magermotorbetrieb erreicht. Dafür benötigt man eine Zündkerze, die den Betrieb bei deutlich höheren Verdichtungen als die üblichen 1 : 10 dauerhaft standhält. Da sich jedoch in diesem Bereich das Benzin mit der maximalen Zündenergie der konventionellen Zündkerze nicht mehr dauerhaft entflammen lässt, wurde über viele Jahrzehnte nach Alternativen inklusive der Laserzündung geforscht.

Bereits vor 17 Jahren forschte das Unternehmen Bosch intensiv an Mikrowellen-Zündkerzen (kurz MW-Zündkerzen) und schloss diese Arbeiten 2005 ab. Damals wurde eine MW-Leistung von rund 600W zum Betrieb eines Motors mit der Bosch-MW-Zündkerze benötigt. Zur Leistungserzeugung wurde ein Klystron (ähnlich einem Magnetron) eingesetzt, das im weitesten Sinne der Klasse der Röhrenverstärker zuzuordnen und somit extrem teuer und groß ist.

Seit dem Start in 2006 hat das IMP der FH Aachen sehr große wissenschaftliche und technologische Fortschritte auf dem Gebiet der sogenannten Mikrowellenplasmaerzeugung bei 2,45 GHz in den Bereichen von Zündkerzen, Energiesparlampen, elektrodenfreien Hochdrucklampen, Mikrowellenskalpellen und Plasmajets wie auch einer neuartigen effizienteren Ansteuerelektronik (für Lampen und Autozündkerzen) erzielt. Jüngst wurde der große wissenschaftliche und technische Durchbruch im Bereich der Mikrowellen-Zündkerze erzielt. Diese MW-Zündkerze kann nunmehr bei einem Startdruck (unter Stickstoff bei 25 ° C) von mindestens 40 Bar eingesetzt werden.

Bei der Mikrowelle wird ähnlich wie beim Laser die Masse der Energie durch die Luft transportiert, was die metallischen Strukturen weniger belastet und eine deutliche höhere Leistung im Vergleich zur konventionellen Zündkerze zulässt. Die Details zur neuen MW-Zündkerze sind im Bild 1 dargestellt.

Je nach Anwendung können für die Ansteuerung der MW-Zündkerze moderne Halbleiterschaltungen mit Ausgangsleistungen zwischen 70 und 250 W eingesetzt werden. Eine passende extrem kompakte und schnelle Regelelektronik wurde am IMP entwickelt.