Wärmeflussmessung Schadstoffausstoß von Verbrennermotoren reduzieren

Beim Start eines Motors entstehen Verbrennungsgase mit sehr hohen Temperaturen von mehr als 1.000 °C. Treffen diese auf die Zylinder- und Kolbenwand, kommt es zu sehr hohen Wärmelasten, die normalerweise nur selten erreicht werden, wie zum Beispiel beim Wiedereintritt eines Space-Shuttles in die Erdatmosphäre. Ein Teil der Wärmeenergie wird dabei über die Brennraumwände wieder abgeführt, wodurch es in Wandnähe zu einer unsauberen Verbrennung und zur Entstehung von Rußpartikeln kommt.

Unter der Leitung von Prof. Dr. Tim Rödiger entwickelte ein Forscherteam der Hochschule Landshut in Zusammenarbeit mit dem Motorenbauer Spiess eine Sonde, mit der sich dieser Wärmefluss direkt und ohne Umwege über eine Temperatur- oder Druckmessung ermitteln lässt. Damit ermöglicht die neue Technik eine zehn- bis 100-mal schnellere Messung als bisher.

Die im Projekt ALTPdev (ALTP: Atomlagenthermosäule) entwickelte Methode könnte in Zukunft helfen, Brennverfahren und thermische Modelle von Motoren zu verbessern und damit den Ausstoß von Schadstoffen zu reduzieren. Auch für die künftige Untersuchung von alternativen Kraftstoffen und wasserstoffbasierten Antrieben ist die neue Technologie relevant. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte die Hochschule Landshut bei dem Projekt, das im Juli dieses Jahres abgeschlossen wurde, mit 220.000 Euro.

Test im Motorprüfstand

Gemeinsam mit den wissenschaftlichen Mitarbeitern Konstantin Huber und Felix Gackstatter sowie dem Industriepartner Spiess führte Rödiger die Messkampagne auf einem Prüfstand an einem speziell präparierten Motorblock durch.

„Den Teil der Energie, der über die Wände des Brennraumes abgeführt wird, bezeichnen wir als Verlustwärmefluss“, erläutert Rödiger und zieht dabei den Vergleich zur menschlichen Haut. So sei unsere Haut auch eine Art Wärmeflusssensor: „Saunaluft mit 90 °C können wir gut ertragen, jedoch würde die Haut beim Kontakt mit genauso heißem Wasser verbrühen.“ Dies hänge mit dem Wärmefluss zusammen, der in Wasser deutlich höher ist als an der Luft.

Im Verbrennungsmotor können sehr hohe Wärmelasten entstehen. „Der Grund dafür ist der schnelle Ablauf des Zündungs- und Verbrennungsvorgangs“, erklärt Rödiger. „Damit kann es kurzzeitig zu sehr hohen Wärmeflüssen kommen.“ Mithilfe des neuen ALTP-Sensors ist es nun erstmals möglich, diese noch detaillierter zu ermitteln. „Dabei zeigen die Messungen, dass die Spitzenlasten weit höher liegen könnten, als bisherige Untersuchungen und Modelle vorhersagen.“

Untersuchung von alternativen Brennstoffen und Wasserstoff

Von der neuen Methode könnten in Zukunft Hersteller von Motoren und anderen Verbrennungssystemen profitieren, vom Mobilitäts- bis hin zum Energiesektor. „Die neue Technologie liefert uns Informationen, die uns die komplexen Abläufe der Verbrennung besser verstehen lassen, zum Beispiel können damit bessere Vorhersagen zur Schadstoffentstehung und zum Verschleiß von Bauteilen entwickelt werden“, betont Rödiger.

Zudem könnten die Messungen künftig helfen, die Motor- und Verbrennungssteuerung zu verbessern sowie neue Motorkonzepte und effizientere Modelle zu entwickeln. „Gerade für die Untersuchung von alternativen Brennstoffen sind die Informationen relevant“, sagt der Professor. Beispielsweise erzielen Wasserstoffflammen in Motoren und Gasturbinenbrennkammern noch höhere Temperaturen und brennen deutlich näher an der Wand, was zu noch höheren Wärmestromdichten führt. Das müsse bei der Entwicklung von Bauteilen in Zukunft mitberücksichtigt werden.

Die neue Technologie misst im Mikrosekundenbereich und gilt damit als weltweit schnellste Methode. „Bisher wurde das ALTP-Verfahren nur für Kurzzeitmessungen in Windkanälen und Prüfständen erprobt“, sagt Rödiger. „Wir haben die Technik so modifiziert, dass sie einfach anwendbar ist und für stark beanspruchende zyklische, thermische und mechanische Lasten eingesetzt werden kann. Der Sensor wird mit direktem Brennraumanschluss im Motorblock verbaut und muss dadurch sowohl den hohen Temperaturen und Wärmelasten als auch dem immensen Druck im Brennraum standhalten. Wir haben zwar innerhalb des Forschungsprojekts die Sensorik für unsere Untersuchungen im Verbrennungsmotor verwendet, allerdings eröffnet sie ein weites Anwendungsgebiet über diesen Bereich hinaus.“