Een nieuwe, aan de Fachhochschule Aachen ontwikkelde bougie laat benzinemotoren schoon en betrouwbaar draaien. Nu kan dat nog bij drukken in de verbrandingskamer tot 25 bar, in de toekomst bij maximaal 40 bar. Dit maakt de weg vrij voor het gebruik van de bougie in lean combustion motoren. Deze zijn zuinig, maar stellen door de hoge gasdruk hogere eisen aan de ontsteking. De plasmabougie brengt uitkomst.
Nu de dieselmotor (ten onrechte) in een kwaad daglicht wordt gesteld, beleeft de benzinemotor een tweede jeugd. Nog maar enkele jaren geleden werden benzinemotoren als ongeschikt voor de toekomst beschouwd, omdat het brandstofverbruik en CO2-uitstoot hoger is dan van dieselmotoren van hetzelfde vermogen. De discussie over stikstofoxiden en roetdeeltjes en hun impact op de gezondheid en het verbannen ervan uit sommige binnensteden heeft de benzinemotor weer meer in de belangstelling gebracht.
Lean engines
Onderzoekers houden zich echter al langer bezig met de vraag of uitstootreductie van deze motoren kan worden bereikt door een relatief arm mengsel van brandstof en lucht in de cilinder te gebruiken. Lean engines (of Magermotoren, zoals onze oosterburen zeggen) zijn vooral interessant door het hogere rendement. De verbrandingstemperatuur is relatief laag, waardoor zich weinig stikstofoxiden vormen. Bovendien minimaliseert het hoge zuurstofgehalte de vorming van koolmonoxide en onverbrande koolwaterstoffen.
Deze motoren hebben echter ook hun problemen: een mengsel met hoge gasdruk, hoge temperatuur en arm mengsel is moeilijker te ontsteken. Een conventionele elektrische bougie werkt hier niet; de slijtage is hoog door de verhoogde spanning. Zelfs de poging om laserbougies te ontwikkelen liep op niets uit. De bougie die de FH Aken ontwikkelde op basis van plasmatechnologie werkt wel.
Plasmabougie
De term plasma wordt in de natuurkunde gebruikt voor een gas dat gedeeltelijk of volledig uit vrije ladingdragers bestaat, dat wil zeggen ionen of elektronen. 99% van de zichtbare materie in het universum is plasma. Natuurlijke plasma’s op aarde worden gevonden in bliksem; zelfs vlammen zijn plasma-achtig. In de bougie wordt de vonk vervangen door dit plasma, optisch herkenbaar aan een roze-violette flikkering.
De kern van de ontwikkeling is de besturingselektronica. De doorbraak kwam in 2016 toen het -onderzoeksteam aan de Fachhochschule voor het eerst een volledig geïntegreerde schakeling (IC) kon onderbrengen op een chip van slechts 2 mm x 2 mm. De elektronische besturing wordt nu gebruikt voor de bougie en verzekert dat de voor plasmaopwekking vereist frequenties in het microgolfgebied (2,45 GHz) worden opgewekt. De onderzoekers kunnen een bandbreedte van ongeveer 80 MHz in het microgolfspectrum gebruiken, zodat de frequentie kan worden aangepast om de hoogst mogelijke energieabsorptie en dus efficiënte plasmaopwekking te waarborgen. De IC meet de feitelijke uitgaande signalen en vergelijken die met een referentiesignaal, waarna in een regelkring de frequentie wordt aangepast.
Het onderzoeksteam heeft talloze onderzoeksvoorstellen geschreven en verschillende samenwerkingsprojecten met bedrijven in de automobiel- en toeleveringsindustrie gestart, maar zonder het gewenste succes. Nu heeft de laatste ontwikkeling van de plasmabougie eindelijk de laatste tests doorstaan.
Toepassing in de praktijk
De vraag is natuurlijk wanneer de plasmabougie in productie kan gaan. Met de drukkamertest hebben de onderzoekers bewezen dat de bougie werkt. Het zou mogelijk moeten zijn dat de technologie over ongeveer twee jaar zal worden gebruikt. Bijzonder geschikt zijn bijvoorbeeld grote stationaire aardgasmotoren in warmtekrachtcentrales. Deze kunnen in extreem lean combustion bedrijf werken door het uniforme belastingprofiel.
Bij automotoren is het de uitdaging dat snelheid en vermogen variëren. Het is dus noodzakelijk om de lean werking aan te passen aan verschillende bedrijfsomstandigheden. In de toekomst zou de technologie ook de weg kunnen banen voor ‘multi fuel’ oplossingen, het gebruik van verschillende brandstoffen in één motor.
