Moleküle unter dem Laserlicht

Wer die Ladungsbewegungen im Verbrennungsmotor genau kennt, kann Kraftstoffverbrauch und Emissionen reduzieren. Die Doppler-Global- Velocimetry liefert in Kombination mit der 3-D-Sprayvisualisierung genau diese Informationen – und damit die Grundlage für präzise Simulationsmodelle. IAV ist Pionier auf diesem Gebiet und hat die Technik seines Prüfstands komplett erneuert.

Moderne Brennverfahren erfordern eine speziell an sie angepasste Ladungsbewegung. Um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, lassen sich verschiedene Ventilhubstrategien mit unterschiedlichen Einlasskanalkonzepten und Ventilsitzgeometrien kombinieren – zum Beispiel die Frühes-Einlass-schließt-Strategie (FES) und die Spätes-Einlass-schließt-Strategie (SES) kombiniert mit „Niedrigtumblekanal“, „Tumblekanal“ und „Maskierung“ (einseitige Abschirmung des Einlassventils im Ventilsitzbereich). Gleichzeitig besteht die Forderung nach kürzeren Entwicklungszeiten und sinkenden Entwicklungskosten, was zum zunehmenden Einsatz von Simulationen führt und langfristig in das komplett virtuelle Engineering münden soll. Gefragt sind darum moderne Messmethoden für die Ladungsbewegungen, mit denen die benötigten CFD-Simulationsmodelle validiert werden können.

Die Doppler-Global-Velocimetry (DGV) in Kombination mit der 3-D-Sprayvisualisierung (QLS) leistet genau das: Laserlicht wird zu einem Lichtband aufgefächert, in die Strömung geleitet und mit einem Kamerasystem bzw. Endoskop analysiert. Aus der Dopplerverschiebung der Lichtfrequenz lässt sich die Geschwindigkeit der Strömung ableiten – beim Einsatz von drei Lichtbändern sogar dreidimensional. „Wir können so das Strömungsfeld im Zylinderraum, in der Saugund Abgasanlage und anderen Bauteilen rückwirkungsfrei vermessen“, sagt Michael Günther, Abteilungsleiter Ladungswechsel und Brennverfahren bei IAV. Hauptanwendung ist die Brennverfahrensoptimierung. Der Fokus ist darauf gerichtet, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen so zu verringern, dass gegenwärtige und zukünftige Anforderungen unter RDE-Bedingungen erfüllt werden. Dafür ist neben einer möglichst guten Homogenisierung des Gemisches auch eine hohe Turbulenz im Zylinderinnenraum erforderlich.

IAV hat den laseroptischen Prüfstand gemeinsam mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt entwickelt und kontinuierlich verbessert. „Inzwischen haben wir 17 Jahre Erfahrung mit dieser Messmethode, was uns ein Alleinstellungsmerkmal verschafft“, so Dr. Thomas Seidel, Fachreferent für Strömungsmesstechnik bei IAV. Dank modernisierter Hard- und Software ist die Anlage auf dem neuesten technischen Stand: Der neue, besonders lichtstarke Laser ermöglicht neben zeitlich- und phasengemittelten Messungen jetzt auch zeitlich aufgelöste Messungen. „Besonders hervorzuheben ist neben der Messung der Turbulenzintensität die Charakterisierung des Frequenzspektrums der Turbulenz, wodurch ein weiteres Fenster für die Optimierung geöffnet wird“, berichtet Seidel.

Neu ist die Frequenzregelung des Lasers: Er lässt sich in wenigen Sekunden von einer auf eine andere Frequenz umschalten. Bisher dauerte das mehrere Minuten. Auch das Kamerasystem wurde erneuert: Dank seiner hohen Empfindlichkeit und seines geringen Rauschens trägt es zur besseren Ergebnisqualität bei.

Die Software wurde ebenfalls stark verbessert. Sie kann jetzt sowohl gemessene als auch simulierte Strömungsfelder gleichermaßen verarbeiten. „Dies ermöglicht grafische Darstellungen der Strömungsfelder im identischen Layout und die Berechnung von Kenngrößen wie Drall- und Tumblezahlen mit identischem Algorithmus“, erklärt Seidel. Somit werden Vergleiche zwischen Messung und Berechnung erheblich erleichtert. „Dadurch können wir die Parameter der Simulationsmodelle anpassen, um die Berechnungen im Rahmen des virtuellen Engineerings zu verbessern“, so Günther. Darüber hinaus sind die Kenngrößen voll kompatibel mit der üblichen Motorsimulationssoftware (zum Beispiel GT Suite) und dienen dort als Eingabewerte.

Damit ist der Prüfstand für alle aktuellen Entwicklungsthemen bestens gerüstet, wie beispielsweise für die Arbeit an hocheffizienten und emissionsarmen Diesel- und Ottomotoren: So leidet etwa das besonders sparsame Miller-Brennverfahren beim Ottomotor stark unter Turbulenzverlusten im Zylinder. Die laseroptische Strömungsmessung liefert hierzu detaillierte Informationen und damit die Voraussetzung, um dieses Brennverfahren zu optimieren. Ergänzt mit der Spraybildanalyse kann die Verteilung von Luft und Kraftstoff im Zylinder gleichzeitig visualisiert werden und so dazu beitragen, die Partikel- und Kohlenwasserstoffemissionen zu reduzieren.

Das Potenzial ist damit noch nicht ausgeschöpft: Während in der Vergangenheit Größen wie Drall und Tumble im Mittelpunkt standen und es heute um Phänomene wie Turbulenzen geht, werden sich in Zukunft auch die Verteilungen von Druck, Temperatur und Dichte im Gemisch bestimmen lassen. Die Messungen werden von OEMs weltweit nachgefragt. Die Liste mit den Kundenprojekten ist lang – und dürfte dank der neuen Prüfstandstechnik noch deutlich länger werden.