Entwicklung und Qualifizierung einer hochzeitauflösenden ALTP Wandwärmestromsonde für den Einsatz in Verbrennungsmotoren

Konstantin Huber, HAW Landshut

 

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Tim Rödiger, HAW Landshut

Prof. Dr.-Ing. Michael Wensing, FAU

 

Herr Konstantin Huber absolvierte von 2013-2017 sein Bachelorstudium an der HAW-Landshut im Fach Maschinenbau (B. Eng.). Das konsekutive Masterstudium führte ihn von 2017-2019 an die FAU Erlangen-Nürnberg, welches er mit dem Schwerpunkt „Rechnergestützte Produktentwicklung“ als M.Sc. abschloss. Seit November 2018 ist Herr Huber als wiss. Mitarbeiter an der HAW-Landshut angestellt. Er befasst sich mit hochzeitauflösenden Wärmestrommesstechniken, deren Kalibrierung und Einsetzbarkeit in Verbrennungsmotoren.

 

Entwicklung und Qualifizierung einer hochzeitauflösenden ALTP Wandwärmestromsonde für den Einsatz in Verbrennungsmotoren

Innerhalb des Forschungsvorhabens wird eine Wärmestromsensorik auf Basis der Atomlagenthermosäule (kurz ALTP) zur hochzeitauflösenden (1MHz), instationären Wandwärmestrommessung für die Untersuchung von motorischen Verbrennungsprozessen entwickelt. Bedingt durch die harsche Betriebsumgebung innerhalb des Brennraums eines Verbrennungsmotors (ca. 1 bis 10 MW/m², ähnlich atmosphärischen Wiedereintrittsbedingungen) stellt die Motoranwendung eine hohe Anforderung an die thermische und mechanische Stabilität der eingesetzten Messtechnik. Unter anderem deshalb basieren aktuell erhältliche Messtechniken für den Motorbereich meist auf robusten Temperaturmessungen, die eine Bestimmung von Wandwärmeströmen nur mit Hilfe eines nachträglich durchgeführten numerischen Berechnungsverfahrens mit mehr oder weniger stark fehlerbehafteten Annahmen (u.a. 1D-Wärmestromverteilung, halbunendliche Wand) ermöglichen.

Ziel des Forschungsprojekts ALTP dev ist die Entwicklung eines, für den gefeuerten Motorbetrieb geeigneten Sensormoduls mit dazugehöriger Messkette, welches den Wandwärmestrom direkt erfassen kann. Basis hierfür ist die ALTP-Sensorik, welche ein über 10 Größenordnungen lineares Spannungssignal zum Wandwärmestrom an der Sensoroberfläche, bei gleichzeitiger Frequenzauflösung im MHz-Bereich liefert. Damit dem Messsignal ein Wärmestrom zuordenbar wird, sind eine vorausgegangene Kalibrierung des Sensormoduls und eine möglichst konstante Sensortemperatur unabdingbar. Deshalb werden Kalibrierprüfstände und eine Temperiereinrichtung für das Sensormodul entwickelt, welche in Kombination mit transient-konduktiven FE-Simulationen genaue Kalibrierungen für das Motorumfeld erlauben. Die hohe Zeitauflösung, zusammen mit dem entfallenden numerischen Auswertungsschritt und den exakten Kalibriermessungen bieten neue Möglichkeiten der wandnahen Verbrennungsdiagnostik im Brennraum, die z.B. zu Effizienzsteigerungen, Emissionsreduktionen, bzw. für die Vermessung alternativer Kraftstoffe wie CNG oder Wasserstoff eingesetzt werden können.