Erdgas als Kraftstoff in modernen Otto-Motoren bietet auf Grund seiner chemischen Struktur hohes CO₂-Einsparpotential mit niedriger Stickoxid-Emission und völlig rußfreier Verbrennung. Für mobile Anwendungen wird Erdgas komprimiert als „Compressed Natural Gas (CNG)“ getankt. Bereits existierende CNG-Motoren schöpfen das Potential dieses Kraftstoffs, wie die deutlich erhöhte Klopffestigkeit im Vergleich zu Benzin oder die Diesel-ähnlich mögliche Effizienz, nicht vollständig aus. Eine wesentliche Herausforderung, um dies zu erreichen, ist die Vermischung von CNG und Luft im Brennraum optimal zu gestalten.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ Optische Technologien / Photonik“ das Projekt „OMeGa-E - Optische Messung der Gemischbildung am Erdgasmotor“. Die Kooperationsgemeinschaft bestand aus Volkswagen als Nutzer der Technologie, dem Institut für Verbrennung und Gasdynamik (IVG) an der Universität Duisburg-Essen für das bildgebende Verfahren, dem Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG) für die Sondenmesstechnik und LaVision als Anbieter dieser spezialisierten optischen Messtechnik

Optische Sonden und Lasermesstechnik für eine optimale Gemischbildung

Im Rahmen des Projektes wurden zwei komplementäre Messtechniken entwickelt und im Praxiseinsatz am Motorprüfstand erprobt. Sie geben dem Motorenentwickler eine ausgereifte optische Messtechnik für die Weiterentwicklung von Erdgas-Verbrennungsmotoren an die Hand.

Zum einen wurde das LaVision ICOS-System zur Erfassung von Methan- und CNG-Konzentrationen weiterentwickelt. Mit Hilfe der einfach applizierbaren Zündkerzensonden kann so kontinuierlich mit hoher Zeitauflösung der lokale Gasanteil von CNG am Gemisch bestimmt werden. Dies ermöglicht eine kurbelwinkelaufgelöste Analyse der Gemischbildung und des lokalen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.

Zeitliche Entwicklung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses an der Zündkerze bei Einblasung von Methan bzw. CNG

Zusätzlich wurde im Projekt ein bildgebendes Laserlichtschnitt-Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe flächig aufgelöste 2D Aufnahmen der Luft/Kraftstoff-Verteilung ermitteln werden. Aus der Fluoreszenz von einem dem Gas beigemischtem Marker wird die Gemischbildung visualisiert. Störendes Streulicht in der Brennkammer wurde effizient mit dem innovativen SLIPI-Verfahren herausgefiltert, so dass genaue quantifizierbare Lambdawert- und Gastemperatur-Messungen möglich waren.

2D-Verteilung des Lambda-Wertes im Brennraum während der Vermischung von Methan und Luft.

In beiden Fällen war es ein entscheidender Schritt im Projekt, die Messtechniken so zu erweitern, dass die lokale Gastemperatur mitgemessen werden kann, denn die Temperatur übt einen Quereinfluss auf die CNG-Konzentrationsmessung aus. Einzeln oder gemeinsam erlauben es die beiden Messtechniken, die Vermischung und Homogenisierung des CNGs mit der Ansaugluft zu verfolgen. Insbesondere können auf Basis solcher Messungen auch entsprechende Computersimulationen verbessert werden. Die hochkomplexen Prozesse über den weiten Dynamikbereich moderner Motoren können somit insgesamt besser verstanden und optimiert werden.