Optische Messtechnik ermöglicht effizienten und klimaschonenden Einsatz von Erdgas in zukunftsweisenden Verbrennungsmotoren

BMBF-Verbundprojekt „OMeGa-E“: bildgebendes Messverfahren und Messsonde.
Dreidimensionale Darstellung eines halbtransparenten Autos, in dem einzelne wichtige Teile wie der Motor und Erdgastanks erkennbar sind. Im Hintergrund sind bunte und flächige Messbereiche abgebildet.

In der Entwicklung effizienter und ressourcenschonender Erdgasmotoren soll optische Messtechnik bildgebend und als kompakte Sonde eingesetzt werden. Bild: Volkswagen AG, Universität Duisburg-Essen, LaVision GmbH

14.07.14

BMBF-Verbundprojekt OMeGa-E

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „KMU-innovativ: Photonik/Optische Technologien“ geförderten Verbundprojekt „OMeGa-E“ – Optische Messung der Gemischbildung am Erdgasmotor“ hat sich ein leistungsstarker Verbund aus Automobilindustrie, Forschungseinrichtungen und einem hochspezialisierten mittelständischen Unternehmen gebildet.

Nachhaltige Mobilität ist eine gesellschaftlich bedeutsame technologische Herausforderung. Neben der Reglementierung der Schadstoffemissionen werden die CO₂-Obergrenzen für das Neuwagen-Flottenmittel gesetzlich sukzessive abgesenkt. Die EU-weite CO₂-Regulierung für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge sieht vor, ab 2012 stufenweise den Durchschnittsausstoß zu begrenzen. Für 2020 ist ein Ziel von 95 g CO₂/km festgelegt.

Erdgas, im Fahrzeug als compressed natural gas (CNG) einsetzt, ist ein Kraftstoff, mit dem aufgrund seiner chemischen Strukturformel 24 % der CO₂-Emissionen gegenüber Ottokraftstoff eingespart werden kann. Darüber hinaus verbrennt Erdgas im Vergleich zu anderen Kraftstoffen bei richtiger Prozessführung sehr schadstoffarm. Als „Biogas“ kann der Kraftstoff auch aus regenerativer Energie erzeugt werden; dann ist die CO₂-Ersparnis nicht schlechter als bei der Ökostrom-basierten Elektro-Mobilität bei potenziell viel niedrigeren Gesamtkosten.

Entwicklungswerkzeuge für die Motorenentwicklung

Die Entwicklung von sparsamen und sauberen Erdgasmotoren erfordert die richtigen Entwicklungswerkzeuge. Insbesondere stellen moderne Brennverfahren hohe Ansprüche an die Kontrolle über die Gemischbildung. Für Flüssigkraftstoffe wird dieser Prozess in der Motorenforschung durch optische Messverfahren untersucht. Für eine quantitative und aussagekräftige Messung im Erdgasmotor gibt es aber bisher kein kommerziell erhältliches Messsystem.

Optische Messung der Gemischbildung am Erdgasmotor - OMeGa-E

Zwei einander komplementäre optische Messsysteme werden in diesem Projekt durch die Projektpartner entwickelt. Ziel ist es, die Verfahren zu einem Reifegrad zu bringen, der die Integration in innovative, marktfähige Messsysteme durch das in der optischen Verbrennungsanalyse seit 25 Jahren tätigen mittelständischen Unternehmens LaVision GmbH erlaubt.

Das Institut für Verbrennung und Gasdynamik (IVG) der Universität Duisburg-Essen entwickelt ein Messverfahren, mit dem bildgebend die momentane Verteilung des CNG-Kraftstoffes im Brennraum dargestellt wird. Solche Messungen können an optisch zugänglichen Forschungsmotoren in Industrie und an Universitäten eingesetzt werden. Dazu wird CNG mit einem geringen Anteil eines sog. „Tracers“ versetzt, der durch UV-Laserlicht zur Fluoreszenz angeregt wird, welche dann auf einer hochempfindlichen Kamera abgebildet werden kann.

Das Laser-Laboratorium Göttingen e.V. konzipiert eine Messsonde, die darauf beruht, dass Methan, Hauptbestandteil von CNG, Teile des Infrarotlicht (IR)-Spektrums stark absorbiert.  Neben Methan werden zudem die weiteren Gasbestandteile Kohlendioxid und Wasser untersucht, um deren Einfluss auf das Kraftstoffsignal zu minimieren. Mit diesem Wissen kann die Kraftstoffdichte anhand der IR-Messsignale quantifiziert werden. Allerdings verfälschen Absorptions-Messsonden potentiell die Strömung, indem Spiegel in den Motor hereinragen. Um dies zu vermeiden, soll eine spiegellose Detektion für die Messungen im Saugrohr und Brennraum entwickelt werden.

Praxistaugliche Innovationen

Die Forschungsarbeiten werden durch den Industriepartner Volkswagen AG aktiv unterstützt. Volkswagen stellt Motorkomponenten zur Verfügung und testet potentielle „Tracer“ für das UV-Fluoreszenzverfahren auf motorische Kompatibilität mit dem Basiskraftstoff CNG. Die Projektpartner nutzen gemeinsam Motorprüfstände bei Volkswagen, um die Messtechniken auf Robustheit und Praxistauglichkeit zu prüfen, denn diese Attribute sind es, die LaVision erlauben werden, entsprechende Messsysteme erfolgreich am Markt zu etablieren.

Das im Mai 2014 gestartete und über 3 Jahre laufende Verbundprojekt wird vom BMBF mit einer Fördersumme von über 570.000 € unterstützt.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Thomas Berg
LaVision GmbH
Anna-Vandenhoeck-Ring 19
37081 Göttingen

Dr. Hainer Wackerbarth
Laser-Laboratorium Göttingen e.V.
Photonische Sensorik
Hans-Adolf-Krebs-Weg 1
37077 Göttingen

Prof. Dr. Sebastian Kaiser
Universität Duisburg-Essen
Institut für Verbrennung und Gasdynamik
Lotharstraße 1
47057 Duisburg

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Lars Beckmann, M.Sc.
Volkswagen AG
Forschung und Entwicklung – Messtechnik
Brieffach 1785
38436 Wolfsburg

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