Zurück in die Zukunft der Motortechnik

Eine geringere Schadstoffemission und eine höhere Effizienz im Motoren- und Gasturbinenbereich – diese Aussichten lassen nicht nur die Herzen von Autoliebhabern und Ingenieuren höher schlagen. Ein Forschungsteam an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen untersucht die variable Einspritzung bei Diesel- und Ottomotoren und führt Versuche mit verschiedenen Kraftstoffen durch. Ein Einspritzvorgang erstreckt sich über weniger als zwei Millisekunden – dies für das menschliche Auge sichtbar zu machen, schaffen nur Highspeedkameras, wie zum Beispiel jene der VKT Video Kommunikation GmbH.

Höhere Effizienz im Motoren- und Gasturbinenbereich

Die Kameraexperten von VKT aus Pfullingen haben dem Forschungsteam des Lehrstuhls für Wärme- und Stoffübertragung der RWTH Aachen für ihre Untersuchung die Highspeedkamera Photron Fastcam SAX empfohlen. Die Kamera schafft bei einer Auflösung von 1024 x 1024 Pixel bis zu 12.500 Bilder pro Sekunde und kann bei einer geringeren Auflösung sogar bis zu 324.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Mit dieser Geschwindigkeit kann die Einspritzung des Kraftstoffs genau dokumentiert werden. Ziel der Aufzeichnungen war, genaue Informationen über den Einspritzvorgang zu erhalten, beispielsweise über die Eindringtiefe, den Strahlwinkel und die Strahlstruktur, um die Daten anschließend mit anderen Messungen zu vergleichen und auf dieser Grundlage die Ergebnisse entsprechender Strömungssimulationen bewerten zu können.

Rechts oben im Bild ist eine Skizze des Versuchsaufbaus zu sehen. Links oben ist eine Gesamtaufnahme eines Einspritzstrahls abgebildet, die mit der Hochgeschwindigkeitskamera SAX, bei einer Bildauflösung von 1024 x 1024 Pixel, aufgenommen wurde. In einer weiteren Messreihe wurden Bilder der Kraftstoffeinspritzung zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen. Unten im Bild ist diese Bildserie zu erkennen, die im Abstand von 10 Mikrosekunden aufgenommen wurde.

Das Forscherteam arbeitet am Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung an der Fakultät für Maschinenwesen der RWTH Aachen. Die Forschung an der motorischen Einspritzung findet im Rahmen verschiedener Vorhaben statt. Ein über die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderter Projektbereich untersucht die Niedertemperaturverbrennung. Diese wird eingesetzt, um eine geringere Schadstoffemission zu erreichen und gleichzeitig die Effizienz zu steigern. Allerdings gibt es immer wieder Instabilitäten bei der Niedertemperaturverbrennung – ein Problem an dem viele Ingenieure arbeiten. Ein fachübergreifendes Wissenschaftlerteam der RWTH versucht diese Instabilitäten im Rahmen eines Sonderforschungsbereiches (SFB) zu reduzieren. Eine Möglichkeit stellt die Regelung der Verbrennung über die variable Kraftstoffeinspritzung dar. Diese setzt jedoch die genauen Kenntnisse über die variable Einspritzung voraus.

Variable Kraftstoffeinspritzung bietet ungenutztes Potenzial

Das notwendige Wissen über den Einspritzvorgang wird durch den Einsatz unterschiedlicher Messmethoden erarbeitet. Der Einspritzstrahl wird unter anderem mit verschiedenen optischen Messtechniken experimentell untersucht, um eine Datenbasis für eine Strömungssimulation zu erhalten. Diese bildet die Basis für ein regelungstechnisches Modell, das die Einspritzkonzepte der Niedertemperaturverbrennung genau darstellt und so Möglichkeiten für eine Optimierung sichtbar macht.

Die Auswertung der Bildserien der Highspeedkamera ermöglicht Aussagen über das Eindringverhalten des Kraftstoffs sowie über die Veränderung der Strahlstruktur. Dr.-Ing. Diana Cordes, Gruppenleiterin der Forschungsgruppe Motorische Einspritzung, ist von der Leistung der Hochgeschwindigkeitskamera SAX überzeugt:

„Dank der Kamera von VKT gelingt es uns, mehrere Aufnahmen zu einem Einspritzzyklus zu erfassen um somit ein tieferes Verständnis der motorischen Einspritzung und der Gemischbildung zu erreichen. Der Dialog mit VKT hat wunderbar funktioniert. Unsere Fragen wurden von den Experten freundlich, professionell und zielgerichtet beantwortet, so dass die Zusammenarbeit sehr förderlich war.“

Die Visualisierungsmessungen ermöglichen die Erfassung sowohl der Flüssig- als auch der Dampfphase des Kraftstoffes, der in die Druckkammer des Versuchsaufbaus eingespritzt wird. Die Slow Motion-Aufnahmen stellen einen Teil der optischen Untersuchungen zur Beeinflussung der Gemischbildung bei variabler Einspritzung dar. Sie werden unter anderem ergänzt durch den Einsatz der Phasen Doppler Anemometrie (PDA), der Laser Correlation Velocimetry (LCV) und der Particle Image Velocimetry (PIV). Die Ergebnisse der Versuchsreihen werden regelmäßig in wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht.

Quelle & Bild: echolot pr GmbH & CO KG

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