Aufnahmen mit der Hochgeschwindigkeits-Kamera

Institut für Kolbenmaschinen erforscht bessere und sauberere Motoren

Stärker! Leiser! Sparsamer! Sauberer! Hersteller und Kunden richten an Verbrennungsmotoren heute hohe Ansprüche – um herauszufinden, ob und wie die Motoren diesen genügen können, hat das Institut für Kolbenmaschinen unter Leitung von Professor Dr. Ulrich Spicher ein neues optisches Verfahren zur Analyse der Verbrennung entwickelt: ein System zur Flammenvisualisierung, das auf der Lichtleitermesstechnik aufbaut. „Damit können wir Verbrauch und Emission optimieren“, erklärt Professor Spicher. Schon jetzt haben Versuche am Institut ergeben, dass mit einem strahlgeführten Brennverfahren für Ottomotoren mit Direkteinspritzung der Kraftstoffverbrauch um 15 bis 30 Prozent gesenkt werden kann. Das strahlgeführte Verfahren unterscheidet sich von anderen, zum Beispiel dem wandgeführten, dadurch, dass die räumliche Nähe von Kraftstoffeinspritzer und Zündkerze eine höhere Abmagerungsfähigkeit bedingt: Der Kraftstoffanteil im Zylinder kann weiter reduziert werden und somit wird – bei gleicher Leistung – weniger Kraftstoff verbraucht.

Das System zur Flammenvisualisierung besteht aus einem Lichtleiterendoskop und einer Photomultiplier-Kamera, die schwächste Lichtstrahlen erfasst und diese mit hoher zeitlicher Auflösung in elektrische Impulse umwandelt. So ist es möglich, die für die Verbrennung maßgebliche UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 250 bis 450 Nanometer zu erfassen (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter).

In eine gebohrte Öffnung wird das Endoskop mit einem Außendurchmesser von vier Millimetern eingeschraubt. Es besteht aus 11.520 Lichtleitfasern, die zu einem Faserbündel zusammengefasst sind. Der Gesamtbeobachtungswinkel des Endoskops beträgt 80 Grad – so kann die Flamme in weiten Teilen des Brennraums erfasst werden. Das Endoskop überträgt sowohl die sichtbare Strahlung als auch die UV-Strahlung auf die Empfängerfläche der Kamera. Diese besteht aus 1920 Photomultipliern – so erhält man ein Bild mit einer hohen Auflösung. Bis zu 32.000 aufeinanderfolgende Verbrennungsbilder kann das System aufnehmen. Mit einer eigens hierfür entwickelten Software werden die Flammenbilder analysiert. Somit ist es möglich, Orte zu bestimmen, wo Schadstoffe entstehen, und daraus Maßnahmen abzuleiten, die Motoren sauberer und leiser machen.

Um leistungsfähigere und umweltfreundlichere Motoren geht es auch bei dem Vorhaben des Instituts, eine Laser-Messtechnik auf den Motorbetrieb zu übertragen: Mit der Particle-Image-Velocimetry (PIV) will Spichers Team die Strömungsverhältnisse bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung genauer analysieren. Ziel sei es, so der Institutsleiter, „die Emissionen abzusenken“. Das Verfahren ermöglicht eine zeitlich und örtlich hochaufgelöste Bestimmung von Strömungsfeldern, indem es die Bewegung kleiner, der Strömung beigefügte Teilchen mit einer speziellen digitalen Kamera erfasst: Durch zwei Belichtungen in kurzem Abstand lässt sich ermitteln, wie die Teilchen ihre Position in einem bestimmten Zeitintervall verändern. Mit statistischen Methoden finden die Wissenschaftler heraus, wie sich die Geschwindigkeit der Teilchen verändert.

So gewinnen die Forscher neue Erkenntnisse vor allem über die Interaktion von Einspritzstrahl und Zylinderinnenströmung bei Motoren mit Direkteinspritzung. Um dabei verschiedene Phasen der Strömung unterscheiden zu können, arbeiten sie mit Fluoreszenzlicht. Mit ihren Strömungsmessungen belegen sie die Aussagekraft von Simulationsrechnungen, mit deren Hilfe Parameter und ihre Variationen in kürzester Zeit zuverlässig berechnet werden können. „Damit“, so Professor Spicher, „lassen sich die Entwicklungszeit und somit auch die Entwicklungskosten erheblich verringern“.

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