Laserspektroskopie verbessert Automotoren

Forscher der Technischen Universität Darmstadt haben neue Messmethoden entwickelt, um die im Motor stattfindenden Verbrennungsprozesse zu analysieren. Laser-basierte Verfahren werden in der Automobilindustrie bei der Entwicklung von Brennverfahren zwar bereits mannigfaltig eingesetzt. Viele Fragen sind jedoch nach wie vor offen, vor allem, wenn wie im Falle der Direkteinspritzung alle Vorgänge – von Einspritzung bis Ausbrand – im selben Raum ablaufen und sich gegenseitig beeinflussen.

Verständnis der Zusammenhänge

Mithilfe der Laserspektroskopie können Wissenschaftler genauer erkunden, was im Brennraum eines Motors passiert, warum es zu Fehlzündungen kommt oder in welchem Moment und aus welchem Grund Schadstoffe entstehen. „Letztlich ist es das Ziel unserer Forschung, die Kausalitäten zwischen Einspritzung, Gemischaufbereitung, Zündung, Verbrennung und Schadstoffbildung besser zu verstehen“, sagt Andreas Dreizler, Leiter des Fachgebiets Reaktive Strömungen und Messtechnik an der TU Darmstadt, gegenüber pressetext.

Dafür beobachten die Techniker bislang nicht restlos geklärte Prozesse wie etwa das Wechselspiel von Flammen und Zylinderinnenströmung bei Zündung des Motors mithilfe von Laserlicht. „Die Analysen passieren dabei, ohne den Prozess selbst zu stören beziehungsweise zu verändern“, betont Dreizler. Dies sei mit klassischen Sensoren nicht möglich.

Einfaches Grundprinzip

Die Brennkammern werden mit einem kleinen Fenster versehen. Durch dieses kann das Laserlicht eindringen. Die Moleküle des Kraftstoffes werden dann mit einem Laserimpuls angeregt, was sie zum Fluoreszieren bringt. Da Laserlicht sehr schmalbandig ist, können bestimmte Moleküle angeregt werden, sodass nur diese fluoreszieren. Damit lässt sich exakt verfolgen, wann und wo Schadstoffe wie Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe auftreten.

In Kombination mit klassischen Motoranalyseverfahren und einer parametrischen Variation von Geometrien, Injektoren oder Einströmrandbedingungen können Fahrzeughersteller verbesserte Brennverfahren entwickeln. „Die Optimierungspotenziale liegen vor allem in der Verbesserung der Effizienz. Diese ist aber immer an die Frage der Reduzierung der Schadstoffemissionen gekoppelt, die sekundärseitige Maßnahmen in der Abgasnachbehandlung erfordert“, gibt Dreizler zu bedenken.

Verbesserungspotenzial unstrittig

Verbesserungen könnten insbesondere bei der Einspritzung und Gemischaufbereitung erzielt werden. Weiters ließen sich mit einem besseren Verständnis der innermotorischen Dynamik sogenannte zyklische Schwankungen reduzieren. „Das ist vor allem bei direkteinspritzenden Ottomotoren ein heikles Thema“, so der Fachmann abschließend.