Inleiding

Ontsteking van het lucht-brandstofmengsel in voertuigmotoren gebeurt al tientallen jaren via een bougie. Door deze jarenlange toepassing is de ontstekingskaars een uiterst betrouwbare en goedkope oplossing geworden. Maar omwille van de steeds strikter wordende regelgeving betreffende verbruik en CO2-uitstoot wordt de zoektocht naar een efficiëntere en volledigere verbranding van het mengsel noodzakelijk. [1]

Vervangt laserontsteking binnenkort de bougie?

Ontsteking met behulp van een laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) zou hierbij kunnen helpen. De concentratie van licht bevat genoeg energie om het mengsel van brandstof en lucht te ontsteken. Bij het gebruik van een laser kan men daarboven de timing van de ontsteking beter regelen, en kan men het mengsel gerichter en op meerdere plaatsen ontsteken (d.m.v. de mogelijkheid tot het splitsen van de lichtstraal). Hierdoor krijgt men een beter en gerichter vlammenfront. [2]

De voordelen van laserontsteking

Naast de verminderde uitstoot van schadelijke emissies en een verhoogde efficiëntie in voornamelijk koude en vochtige omstandigheden heeft het gebruik van lasers als bijkomend voordeel dat deze lasers, meer dan bougies, geschikt zijn bij arme mengsels omwille van de hogere energie-inhoud van de laserstraal en de multi-point-ontstekingsmogelijkheden. De ontstekingstijd bij het gebruik van een laser verbetert ook. [3]

Doordat laserontsteking de mogelijkheid geeft tot het gebruik van armere mengsels, liggen er meerdere mogelijkheden open voor alternatieve brandstoffen, zoals methanol of aardgas. Het gebruik van een armer mengsel geeft samen met het hogere octaangetal van methanol een motor die minder verbruik en toch meer vermogen aflevert. [3]

Hoe kan met dit systeem inbouwen?

Aanvankelijk ontdekte men meerdere problemen en mogelijkheden bij het toepassen van lasers bij de ontsteking. Ten eerste kan men het laserlicht rechtstreeks in de verbrandingskamer brengen, waardoor de laser of het transportmiddel (bijvoorbeeld optische vezels) bestand moeten zijn tegen de hoge temperaturen. Deze methode heeft wel als uitzonderlijk voordeel dat deze minder ruimte inneemt in de buurt van de cilinder waardoor men grotere cilinderkleppen kan monteren wat de efficiëntie verhoogd. [1]

Daarnaast kan men het laserlicht afgeschermd de cilinder inbrengen door een klein lichtdoorlatend venster te plaatsen. Deze methode heeft als voordeel dat de laser niet bestendig moet zijn tegen de extreme arbeidsomstandigheden in de cilinder (temperatuur en druk). [2]

Welke nadelen en problemen moet men nog overwinnen?

Problemen in de vorm van het transport van het licht, het richten van de laserstraal en de hogere kostprijs lost men geleidelijk aan op. Maar momenteel is het economisch nog niet interessant voor de autoconstructeurs om deze relatief nieuwe techniek (het eerste patent zou dateren van 2006) toe te passen.

“Er is echter ook een belangrijk nadeel aan laserontstoken mengsels. Ten gevolge van de laserstraal ontstaat er een asymmetrische vlamvoortplanting. Zijnde een eerste vlamkern die propageert in de richting van de invallende laserstraal met daar rond maar iets naar achter verschoven een torus.” (Logghe, Roose, 2012, p.19)

In welke fase van het ontwikkelingsproces zit men?

In 2011 heeft men dan de eerste werkende en productieklare laser van 9 mm diameter en 11 mm lengte (compacter dan een bougie) vervaardigd welke twee lichtstralen produceert en geschikt is voor de motoromstandigheden. Deze lasers produceren 100 GW/cm² met een reactietijd van enkele nanoseconden waardoor meerdere ontstekingen achter elkaar mogelijk zijn. Deze laser bestaande uit keramische materialen is geschikt voor inbouw in de cilinder dankzij zijn duurzame en warmtegeleidende kast. [2] [4]

Tegenwoordig gaat men er echter vanuit dat men in de toekomst gebruik gaat maken van één of meerdere lasers die zich buiten de cilinder bevinden en die gebruik maken van het Q-switching systeem. Zulke lasers worden ook wel Q-switched Nd:YAG lasers genoemd. [3] Hierbij wordt de continue laserstraal omgevormd tot een gepulste straal met een extreem hoog piekvermogen, veel hoger dan zou worden geproduceerd door dezelfde laser in continue mode. Gedurende 2 tot 3 nanoseconden wordt er 100 GW/cm² geleverd. [4] Meer informatie over de werking van laserontsteking en de verschillende processen voorafgaand aan de ontsteking kan men lezen in Logghe, Roose, 2012, p.18.

YAG lasers hebben als voordeel dat ze geschikt zijn voor massaproductie, maar ze hebben ook een aanzienlijk nadeel, namelijk het ondermaatse rendement van slechts 3%. Daar waar diodelasers ruim 40% halen. Toch maakt men gebruik van YAG lasers omwille van hun betrouwbaarheid. Doordat men moet werken met dergelijk lage rendementen eisen deze lasertypes een hogere energietoevoer wat momenteel nog niet voorzien kan worden door de huidig gebruikte batterijen. Autobatterijen kunnen vaak maar 80 tot 400 W leveren, terwijl voor dit type YAG-lasers men behoefte heeft aan 1 kW. [4]

De toekomst

Daarom werkt men momenteel aan laserbougies voorzien van een passief Q-switched Nd: YAG laser (2.54 cm lang) welke coaxiaal door een diodelaser via glasvezel van energie wordt voorzien. Dr. Steven D. Woodruff, onderzoeker aan het US Department of Energy’s National Energy Technology Laboratory (NETL) in Morgantown, werkt aan deze methode. [4]

De laserpuls wordt door een dik kwartsglas lens, die ook dient als drukbarrière, gericht. Met de hulp van deze diodelaser zijn de energiekosten zeer vergelijkbaar aan het elektrische bougie systeem. Nadien is het nog een kwestie van het laserlicht in de verschillende cilinders te krijgen op het juiste moment. De kostprijs van dergelijke diodelasers licht wel fors hoger. [4]

Besluit

Algemeen mag men concluderen dat de meerkosten die gepaard gaan bij het plaatsen van laserontsteking momenteel nog niet opwegen tegen de besparing omwille van een volledigere verbranding resulterend in een lagere uitstoot van schadelijke gassen en een dito lager brandstofverbruik.

Daarnaast moet men nog oplossingen vinden voor zaken zoals het energieverbruik. Of dit via een nieuw type van laser zal zijn of via een rendementsverbetering, zal de toekomst uitmaken.

Referenties

  1. Fokker, P., 2009. Vervangt laser-ontsteking de bougie? . [online] Redactie Auto & Motor TECHNIEK. Available at: [Accessed 04 March 2014].
  2. Fokker, P., 2011. Zuiniger motoren met laserbougie? . [online] Redactie AMT. Available at: [Accessed 04 March 2014].
  3. Logghe, P. and Roose, W., 2012. Flowbench- en vlamsnelheidsmetingen als input voor simulaties van vonkontstekingsmotoren. Universiteit Gent.
  4. Marshall, L., 2012. Laser Car Ignition Dream Sparks Multiple Approaches. [online] Photonics Spectra. Available at: [Accessed 30 March 2014].