Maschinenbau-Forschung Der schnellste Weg zur Wärmeflussmessung in Motoren

Redakteur: Peter Königsreuther

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

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Ein Forscherteam der Hochschule Landshut hat zusammen mit Experten von Spiess Motorenbau eine wesentlich schnellere und genauere Methode entwickelt, um das Wärmeflussgeschehen in Verbrennungsmotoren zu messen. Hier beim Test im Motorenprüfstand.
Ein Forscherteam der Hochschule Landshut hat zusammen mit Experten von Spiess Motorenbau eine wesentlich schnellere und genauere Methode entwickelt, um das Wärmeflussgeschehen in Verbrennungsmotoren zu messen. Hier beim Test im Motorenprüfstand.
(Bild: Hochschule Landshut)

Wird der Motor eines üblichen Autos gestartet, entstehen Verbrennungsgase, die Temperaturen von über 1.000 °C haben, beginnen die Forschenden ihren Bericht. Treffen diese heißen Gase auf Zylinder- und Kolbenwand, werden diese thermisch hoch belastet, was aber normalerweise nur selten der Fall sei (etwa 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 unvollständigen Verbrennung kommt, weshalb Rußpartikel entstehen, heißt es weiter.

Unter der Leitung von Prof.-Dr. 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. Dieser Neuling erlaubt nach Aussage der Experten ein 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 – damit gilt sie als weltweit schnellste Methode für diesen Zweck.

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Nicht nur bei Diesel- und Benzinmotoren einsetzbar

Diese Alternative Messmethode für den Wärmefluss in Motoren könnte in Zukunft dabei helfen, Brennverfahren und thermische Modelle von Motoren in ihrer Entwicklungsphase zu verbessern. So kann der Ausstoß von Schadstoffen deutlich reduziert werden. Auch für die künftige Untersuchung von alternativen Kraftstoffen und wasserstoffbasierten Antrieben kann der neue Sensor eingesetzt werden, wie die Forschenden betonen. Speziell für die Untersuchung von alternativen Brennstoffen sind die Informationen relevant, sagen die Forschenden. So erzielen beispielsweise Wasserstoffflammen in Motoren und Gasturbinen-Brennkammern noch höhere Temperaturen und brennen deutlich näher an der Wand. Das führt zu noch höheren Wärmestromdichten. Das müsse bei der Entwicklung von Bauteilen in Zukunft mitberücksichtigt werden, wobei die neue Messmethode helfen kann.

Tests mit 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 °C können wir auch gut ertragen, jedoch würde die Haut beim Kontakt mit 90 °C 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.

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) ist 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. Die neue Messmethode liefere genauere Informationen über komplexe Abläufe in Verbrennungsmotoren, als es bisher möglich war. Nicht nur zur Schadstoffentstehung, auch zum Verschleiß der Motorkomponenten könnten damit bessere Prognosen abgegeben werden. Auch die Steuerung der Verbrennung der Treibstoffe kann verbessert werden. Damit würden zukünftige Motoren effizienter, schadstoffärmer und ressourcenschonender.

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