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Forscher der TU Darmstadt machen Schadstoffentstehung in Brennkammern sichtbar

Wo und wann entstehen Schadstoffe im Motor? Um diese Frage beantworten zu können, nutzt
Prof. Andreas Dreizler, Leiter des Fachgebiets Reaktive Strömungen und Messtechnik am Center of Smart Interfaces der TU Darmstadt, Licht als Messinstrument. Mit der neuartigen Messmethode, der sogenannten Laserspektroskopie, können die Darmstädter Forscher erkunden, was im Brennraum passiert, warum es zu Fehlzündungen kommt oder in welchem Moment und aus welchem Grund Schadstoffe entstehen.

Um die bislang unsichtbaren Prozesse betrachten zu können, werden die Brennkammern von Motoren mit einem kleinen Fenster versehen, durch das Laserlicht eindringen kann. "Die Moleküle des Kraftstoffes werden dann mit einem Laserimpuls angeregt, was sie zum fluoreszieren bringt", erklärt Dr. Jan Brübach, Gruppenleiter am Fachgebiet Energie- und Kraftwerkstechnik. "Da das Laserlicht sehr monochromatisch, das heißt sehr schmalbandig ist, können wir passgenau ganz bestimmte Moleküle anregen, so dass auch nur diese fluoreszieren. So können wir genau verfolgen, wann und wo zum Beispiel Kohlenmonoxid oder auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe auftreten, die häufigsten Schadstoffe, die im Automotor entstehen." Nicht nur, dass lediglich genau definierte Moleküle zum Leuchten gebracht werden können, das Laserlicht kann die Moleküle auch in extrem kurzen Zeiträumen beziehungsweise Zeitabständen anregen.

"Für eine Momentaufnahme genügt es, das Laserlicht nur wenige Nanosekunden in die Brennkammer zu leiten", erklärt Brübach, auf diese Weise werde der momentane Zustand quasi eingefroren. Soll ein ganzer Prozess beobachtet werden, wie etwa das Auftreffen des Kraftstoffs auf die Wand der Brennkammer, können einzelne Lichtblitze in Millisekunden-Abständen die Vorgänge quasi scannen. "Das Fluoreszenzlicht wird von einer Spezialkamera aufgenommen und damit sehen wir, wo die Flammenfront auf die Wand trifft, wo die Reaktion eventuell erlischt und verstehen auf diese Weise, wieso es zu Zündaussetzern oder auch zur Schadstoffentwicklung kommt", fasst Dreizler zusammen.

Die gesammelten Daten zu den sich während des Brennprozesses ständig ändernden Strömungsgeschwindigkeiten, Temperaturen und Gaszusammensetzungen werden zur Weiterentwicklung von theoretischen Modellen und Simulationsprogrammen genutzt, die für die Entwicklung zukünftiger Brennkammern und Motoren benötigen werden. So setze nach Angaben der Darmstädter Universität nicht nur Bosch für die Verbesserung seiner Einspritzsysteme auf die laseroptischen Methoden, sondern auch BMW und der Flugtriebwerksbauer Rolls Royce.
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