Laserdiagnostik im Brennraum

In modernen Diesel- und inzwischen auch Otto-Verbrennungsmotoren wird der Kraftstoff zur Verbrauchsoptimierung mit hohem Druck direkt in die Brennräume der Zylinder eingespritzt. Dabei kommt es während der Verbrennung in unmittelbarer Umgebung zum Einspritzstrahl zu brennstoffreichen Zonen, in denen zwangsläufig Ruß entsteht. Werden die vor allem in frühen Phasen der Verbrennung entstehenden gesundheitsschädlichen Rußpartikel im weiteren Verlauf nicht verbrannt, gelangen sie mit dem Abgas des Motors in die Umwelt. Partikelfilter in Dieselfahrzeugen verhindern zwar die Partikelemission weitestgehend, erhöhen jedoch den Fahrzeugpreis und zudem den Kraftstoffverbrauch. Um bei der Entwicklung neuer Motoren geringere Partikelemissionen zu erreichen, werden Experimente zum Rußverhalten von Motoren unter verschiedenen Betriebsbedingungen durchgeführt. Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs 606 – Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktionen, Technische Systeme – haben eine laserdiagnostische Messtechnik entwickelt, die dazu beitragen soll, künftig Experimente im Motor durch Simulationsmodelle zu ersetzen. Vorteil der simulationsbasierten Untersuchungen ist die Einsparung von Zeit und Kosten bei der Motorentwicklung. Die  Messmethode basiert auf zwei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgenden Laserpulsen, die mehrere Messsignale innerhalb einer zehnmillionstel Sekunde generieren. Damit lassen sich Rußkonzentration, Partikelgrößen sowie die Teilchenanzahl im Brennraum eines Zylinders des Motors mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zweidimensional bestimmen. Bisherige Ergebnisse aus den laserdiagnostischen Messungen zeigen eine mehr oder weniger starke Rußbildung direkt über der Kolbenoberfläche, die aus den Pool-Fires stammt – brennenden Kraftstoffpfützen, die sich durch Benetzung des Kolbens aufgrund der Einspritzung kurz vor dem oberen Totpunkt bilden. Der langsame Ausbrand der Pool Fires und deren relativ geringe Temperatur führen zur unvollständigen Verbrennung der gebildeten Rußpartikel – diese werden mit dem Abgas des Motors emittiert.