Reaktive Fluide

Unabhängig davon, ob sie mit konventionellen oder erneuerbaren Kraftstoffen betrieben werden, beruhen Verbrennungsmotoren auf einem komplexen Zusammenspiel von Strömungsdynamik, Thermodynamik, Chemie und Wärmeübertragung. Wenn wir die Effizienz dieser Maschinen verbessern und ihre Emissionen reduzieren wollen, müssen wir diese Prozesse verstehen und modellieren. Simulationen, insbesondere numerische Strömungsmechanik, können dabei ein wichtiges Werkzeug sein. Auch durch optische Messungen im Motor können wir viele Erkenntnisse gewinnen. Alle wichtigen Phänomene – wie Luftströmung, Einspritzung, Kraftstoff-Luft-Gemischbildung, Zündung, Flammenausbreitung, Schadstoffbildung – lassen sich mit geeigneten Lasern und Kameras visualisieren. Diese Messungen haben eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung, aber natürlich müssen wir in der Lage sein, Licht in den Motor zu bringen und mit einer Kamera hineinsehen zu können.

Ein solcher optischer Zugang erfordert erhebliche Modifikationen am Motor. Die Imaging-Gruppe am EMPI-RF betreibt zwei Einzylinder-Forschungsmotoren, die speziell dafür ausgelegt sind, einen möglichst großen optischen Zugang – also große Fenster – zum Zylinder zu bieten: einen Ottomotor (SI, „Otto“) und einen Dieselmotor (CI, „Diesel“). Beide sind Vierventilmotoren in PKW-Größe mit einem Hubraum von 0,5 bzw. 0,4 Litern. Sie verfügen über einen optischen Zugang sowohl durch die oberen 30 mm des Zylinders als auch durch den Kolben, letzteres über einen im verlängerten Kolben installierten Spiegel (Anordnung vom Typ „Bowditch“). Beispielprojekte, bei denen diese Motoren zum Einsatz kommen, untersuchen die Dieselverbrennung von erneuerbaren „E-Kraftstoffen“, die Rußbildung durch unerwünschte Flüssigkraftstofffilme im Zylinder und die zyklische Variabilität beim Betrieb des Motors mit Wasserstoffkraftstoff.

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Foto des optisch zugänglichen Ottomotors des EMPI-RF. Der Motor läuft und das helle Licht der Verbrennung ist deutlich zu sehen. ​