Prüfstandsystem mit Hochgeschwindigkeitskamera

• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik, Technische Thermodynamik und Thermische Energietechnik
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495866642

Bei dem hier vorliegenden Antrag handelt es sich im Wesentlichen um die Ausstattung eines Motorenprüfstandes mit notwendigen Komponenten und Geräten zur optischen Analyse von Prozessen im Verbrennungsmotor. Kernstück des Prüfstandes und bereits bei der Arbeitsgruppe vorhanden ist ein optischer Pkw-Einzylindermotor, der statt einer metallischen Zylinderlaufbahn einen Quarzglasring besitzt. Dadurch ist eine gute optische Zugänglichkeit zum Brennraum gegeben. Zukünftig sollen an diesem Motor optische Analysen im Brennraum durchgeführt werden, die ein tieferes Verständnis der ablaufenden Prozesse ermöglichen, um gezielte Maßnahmen abzuleiten, die zur Wirkungsgradsteigerung und Emissionsminderung führen. Zur Durchführung der beabsichtigten Forschungsarbeiten im Bereich der optischen Analytik werden zusätzliche Geräte benötigt. Das Hauptgerät des Antrages ist ein Highspeedkamera-System bestehend aus der UV-fähigen Kamera und einem UV-fähigen Endoskop, das auch Beobachtungsachsen durch den Zylinderkopf ermöglicht. Damit sollen Prozesse der Verbrennung und Schadstoffentstehung visualisiert werden. Zur gleichzeitig notwendigen thermodynamischen Charakterisierung der Motorbetriebspunkte wird ein Indiziersystem benötigt, um Messwerte mit hoher zeitlicher Auflösung aufzunehmen, beispielsweise den Zylinderdruck, Zünd- und Einspritzsignale. Für den Motorbetrieb selbst ist eine Prüfstandssteuerung notwendig, die alle relevanten Messgrößen (Drehzahl, Drehmoment, Temperaturen, Drücke etc.) aufzeichnet, verarbeitet und den Motorbetrieb regelt. Des Weiteren wird eine programmierbare Motorsteuerung benötigt, die abhängig von den Randbedingungen und Vorgaben am Prüfstand die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung steuert. Zur Kraftstoffversorgung soll ein mit Gasdruck beaufschlagter Speicher mit Druckmessung zum Einsatz kommen. Die Frischluftmasse soll über einen Luftmassenmesser detektiert werden und die Regelung des gewünschten Verhältnisses von Luft- und Kraftstoffmasse geschieht mit Hilfe eines Lambdameters. Da Motoren bei der optischen Analyse oft nur sehr kurz im gefeuerten Betrieb operieren – zum Teil nur wenige Zyklen - stellen sich selten stationäre Bedingungen ein. Um trotzdem eine möglichst gute Reproduzierbarkeit zu erreichen empfiehlt es sich bei der Abgasrückführung auf eine synthetische Zumischung auszuweichen. Hierzu werden entsprechenden Volumenstromregler für die einzelnen gasförmigen Bestandteile benötigt.Gebäudeseitig sind im Aufstellungsraum des Motors einige Modifikationen nötig. Im Obergeschoss des Gebäudes befindet sich eine Konditioniereinheit für die Frischluftzufuhr und eine Abgasabsauganlage. Es sind Deckendurchbrüche notwendig, um den Motor an beide Anlagen anzuschließen, sowie die Anbindung selbst. Des Weiteren sollen Untersuchungen eines Motorbetriebs mit Wasserstoff ermöglicht werden, was eine Erweiterung des Prüfstandes mit den erforderlichen Sicherheitsgeräten und Anbindungen an eine Wasserstoffversorgung bedeutet.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Prüfstandsystem mit Hochgeschwindigkeitskamera
• Gerätegruppe: 5430 Hochgeschwindigkeits-Kameras (ab 100 Bilder/Sek)
• Antragstellende Institution: Karlsruher Institut für Technologie
• Leiter: Professor Dr. Thomas Koch