Neue Sonde Der schnellste Weg zur Wärmeflussmessung in Motoren

Redakteur: Peter Königsreuther

Maschinenbauexperten der Hochschule Landshut haben mit Spiess Motorenbau eine Methode entwickelt, mit der der Wärmefluss in Verbrennungsmotoren sehr schnell gemessen werden kann.

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Ein Forscherteam hat eine schnellere und genauere Methode entwickelt, um das Wärmeflussgeschehen in Verbrennungsmotoren zu messen.
Ein Forscherteam hat eine schnellere und genauere Methode entwickelt, um das Wärmeflussgeschehen in Verbrennungsmotoren zu messen.
(Bild: Hochschule Landshut)

Wird der Motor eines herkömmlichen Autos gestartet, entstehen Verbrennungsgase, die Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius aufweisen. Treffen diese heißen Gase auf Zylinder- und Kolbenwand, werden diese thermisch hoch belastet – vergleichbar mit dem Wiedereintritt eines Space-Shuttles in die Erdatmosphäre. Ein Teil der Wärmeenergie werde dabei über die Brennraumwände wieder abgeführt, wodurch es in Wandnähe zu einer unvollständigen Verbrennung kommt und Rußpartikel entstehen.

Unter der Leitung von Prof. Tim Rödiger entwickelte nun das Forscherteam der Hochschule Landshut mit dem Motorenbauer Siegfried Spiess eine neuartige Sonde, mit der sich dieser Wärmefluss direkt und ohne Umwege über eine Temperatur- oder Druckmessung ermitteln lässt. Die Sonde erlaubt nach Aussage der Experten eine mindestens zehnmal, wenn nicht hundertmal schnellere Messung, als sie mit bisherigen Methoden möglich ist. Das Ganze wurde im Rahmen des Projekts „ALTPdev“ entwickelt. Diese neue Art der Wärmeflussmessung arbeitet im Mikrosekundenbereich – sie gilt damit als weltweit schnellste Methode für diesen Zweck.

Für Diesel- und Ottomotoren einsetzbar – auch für den Betrieb mit alternativen Kraftstoffen

Die alternative Messmethode könnte in Zukunft dabei helfen, Brennverfahren und thermische Modelle von Verbrennungsmotoren in ihrer Entwicklungsphase zu verbessern. Auch für die künftige Untersuchung von alternativen Kraftstoffen und wasserstoffbasierten Antrieben könnte der neue Sensor eingesetzt werden. So erzielen beispielsweise Wasserstoffflammen in Motoren und Gasturbinen-Brennkammern noch höhere Temperaturen und brennen deutlich näher an der Wand. Das führt den Forschenden zufolge zu noch höheren Wärmestromdichten. Das müsse bei der Entwicklung von Bauteilen in Zukunft mitberücksichtigt werden, wobei die neue Messmethode helfen könne.

Tests auf dem Motorenprüfstand lassen aufhorchen

Gemeinsam mit den wissenschaftlichen Mitarbeitern Konstantin Huber und Felix Gackstatter sowie Spezialisten von Spiess führte man Messungen an einem speziell präparierten Motorblock durch. Die Experten merken dazu an, dass der Teil der Energie, der über die Wände des Brennraumes abgeführt wird, als Verlustwärmefluss gilt. Das könne man mit der Funktion der menschlichen Haut vergleichen: So sei unsere Haut auch eine Art Wärmeflusssensor. Denn Saunaluft mit 90 Grad Celsius können wir gut ertragen, jedoch würde die Haut beim Kontakt mit 90 Grad heißem Wasser verbrühen. Diese unterschiedliche Empfindung hängt mit dem Wärmefluss zusammen, der in flüssigem Wasser deutlich höher ist als an der wasserdampfgesättigten Luft, erklären die Landshuter Forscher.

Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Konstantin Huber (links) und Felix Gackstatter, am hochinstrumentierten Motorprüfstand bei Spiess Motorenbau.
Die wissenschaftlichen Mitarbeiter Konstantin Huber (links) und Felix Gackstatter, am hochinstrumentierten Motorprüfstand bei Spiess Motorenbau.
(Bild: Hochschule Landshut)

Im Verbrennungsmotor können nun sehr hohe Wärmelasten auftreten, denn der schnelle Ablauf des Zündungs- und Verbrennungsvorgangs erzeugt einen sehr hohen Wärmefluss. Mithilfe des neuen Altp-Sensors (Altp ist das Akronym für Atomlagenthermosäule) sei es nun erstmals möglich, diese noch detaillierter zu erfassen, heißt es. Dabei zeigten die Messungen, dass die Spitzenlasten weit höher liegen könnten, als bisherige Untersuchungen und Modelle vorhergesagt haben. Nicht nur zur Schadstoffentstehung, auch zum Verschleiß der Motorkomponenten könnten bessere Prognosen abgegeben werden. Auch die Steuerung der Verbrennung der Treibstoffe ließe sich verbessern. Damit würden künftige Motoren effizienter, schadstoffärmer und ressourcenschonender.

Der Sensor wird direkt am Brennraum des Motors verbaut

„Bisher wurde das Altp-Verfahren nur für Kurzzeitmessungen in Windkanälen und Prüfständen erprobt“, erklärt Rödiger. Nun habe man die Technik so modifiziert, dass sie einfach anwendbar ist und auch stark beanspruchende zyklische, thermische und mechanische Lasten aushalte. Der Sensor werde dabei mit direktem Brennraumanschluss im Motorblock verbaut und müsse dadurch sowohl den hohen Temperaturen und Wärmelasten als auch dem immensen Druck im Brennraum standhalten. Rödiger betont, dass zwar innerhalb des Forschungsprojekts die Sensorik für die Untersuchungen im Verbrennungsmotor verwendet wird, sie allerdings weitere Anwendungsgebiete über diesen Bereich hinaus eröffnet.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, BMWi, förderte die Hochschule Landshut bei dem Projekt, dass im Juli dieses Jahres abgeschlossen ist, mit 220.000 Euro.

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