Versuchseinrichtungen

Stationäre Messtechnik

Neben der üblichen Sensorik zur Erfassung von Temperaturen, Drücken, ECU-Daten sowie Last und Drehzahl steht am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe weitere wesentliche Messtechnik zur Verfügung. Dabei bilden die Bereiche Abgasmessung und -analyse, Verbrauchsmessung sowie Verbrennungsoptimierung Schwerpunkte.

Bei aktuellen und zukunftsorientierten Forschungsschwerpunkten ist jedoch die am Markt erhältliche Messtechnik oft nicht ausreichend. Daher werden am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe neue Messverfahren entwickelt bzw. die bestehenden Systeme modifiziert und optimiert. Ein Beispiel für diese Neuentwicklungen ist der sog. Nanotunnel. Hierbei handelt es sich um ein mobiles System zur Abgasverdünnung und -probennahme, welches hinsichtlich Hard- und Software am Institut entwickelt wurde.

Nachfolgend erhalten Sie detaillierte Informationen zum Thema Messtechnik am Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe.

Abgasmessung

Dem Institut stehen zur Abgasanalyse sechs 1-Linien-Abgasmessanlagen und eine 2-Linien-Abgasmessanlage zur Verfügung. Ergänzt werden diese durch ein Fast-Response-System um die Emissionshöhe im instationären Betrieb zu erfassen. Die maximalen t90-Zeiten betragen hier ca. 80 ms.

Alle acht Anlagen sind mit Analysatoren zur Erfassung der Komponenten HC, NOx, CO, CO2 und O2 ausgerüstet. Zusätzlich ist bei den meisten Systemen eine Differenzierung zwischen NO und NO2 zeitgleich möglich.

Neben dieser „herkömmlichen“ Messtechnik werden Analysatoren zur Erfassung der NH3-Konzentration im Abgas eingesetzt. Ein N2O-Analysator der Fa. ABB befindet sich zurzeit in der Erprobung.

Abgasmessanlagen

Für die Verdünnung und Probennahme entsprechend der gesetzlichen Testvorschriften stehen Vollstrom- und Teilstromverdünnungsanlagen zur Verfügung. Gleichzeitig wird der neuartige Nanotunnel eingesetzt.

Bei der Analyse des dieselmotorischen Abgases kommen neben Opacimeter und Schwärzungszahlmessgeräten (nach BOSCH) gravimetrische Verfahren zum Einsatz.

Chemische Partikelanalyse

AVL ETS FTIR-Abgasmesssystem

Das Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe verfügt über ein umfangreich ausgestattetes chemisch-analytisches Labor. Zu seiner Ausstattung zählen unter anderem eine Mikrowaage, ein Gaschromatograph (GC) mit verschiedenen Aufgabesystemen, eine HPLC-Anlage mit zwei verschiedenen Detektoren und ein FTIR-Spektrometer. Neben der einfachen gravimetrischen Erfassung der dieselmotorischen Partikel können diese also im Labor des Instituts vollständig auf ihre Zusammensetzung hin untersucht werden. Dazu werden auch verschiedene Extraktionsverfahren angewandt.

Bestimmung der Partikelgrößenverteilung

Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)

Durch die zunehmend strenger werdende Abgasgesetzgebung ist die Bestimmung der Partikelmasse im Abgas nicht die einzige Herausforderung. Aktuelle und zukünftige Entwicklungen haben zunehmend die Partikelanzahl im Fokus. Als zusätzliche Information ist darüber hinaus die Partikelgrößenverteilung von besonderem Interesse, da gerade feine Partikel vermieden werden müssen.

Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS)

Zur Bestimmung der Größenverteilungen wurde ein Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) angeschafft. Der Messgeräteaufbau kombiniert zwei Systeme. Mit einem elektrostatischen Klassierer Differential Mobility Analyzer (DMA) werden in Abhängigkeit der anliegenden Spannung Partikel nach ihrer Größe klassifiziert, gelangen in den nachgelagerten Partikelzähler (CPC) und werden gezählt. Die Partikel werden in einem elektrischen Feld entsprechend ihrer elektrischen Mobilität fraktioniert. So wird die Größenverteilung ermittelt.

[Quelle: http://www.ms4.info/images/MS4/Cambustion/DMS500.jpg]

Cambustion DMS500 – Dynamische Partikelgrößenverteilung

Als Ergänzung zu den Stationärmessungen mittels SMPS wurde ein DMS 500 der Firma Cambustion (bzw. MS4 Analysentechnik) angeschafft. Mit diesem Messgerät können Partikelgrößenverteilungen von 5 nm bis 1 µm hochdynamisch (bis 10 Hz) gemessen werden. Somit ist es möglich sowohl Stationärpunkte als auch transiente Testzyklen mit hoher Auflösung zu untersuchen. Aus den aufgezeichneten Daten kann die Partikelanzahl und durch Berechnung die Partikelmasse bestimmt werden.

AVL APC 489

Chemische Partikelanalyse

Einzelpartikelanalyse

Hochauflösende Feldemissionselektronenmikroskopie

Die hochauflösende Feldemissionselektronenmikroskopie (HREM) kann zur Bestimmung der Größe, der Morphologie sowie der Formparameter einzelner Rußpartikel mittels Bildverarbeitung verwendet werden. Auch die fraktale Dimension lässt sich aus zweidimensionalen Sekundärelektronen-(SE)-Bildern bestimmen. Für Haupt- und Nebenelemente können auch Elementanalysen vorgenommen werden.

Fließbank

Für zukünftige Motorstrategien wie z.B. Ladungsverdünnung und Direkteinspritzung gewinnt der Zustand des in den Brennraum eingebrachten Gemisches bzw. der reinen Luft zunehmend an Bedeutung. Je nach Orientierung der Zylinderinnenströmung wird zwischen Drall- und Tumbleströmung bzw. einer Überlagerung dieser beiden Strömungsformen unterschieden. Ziel einer solchen Ladungsbewegung ist eine definierte Abstimmung mit dem jeweiligen Motorkonzept. Am Institut ist die Bestimmung dieser Kennwerte an einem stationären Strömungsprüfstand (Fließbank) möglich.

Stationären Strömungsprüfstand (Fließbank)

Hauptkomponenten des Prüfstandes bilden eine konditionierfähige Luftlieferanlage und die eigentliche Messstrecke, die sich wiederum aus einem Luftmassenstrommessgerät und der Strömungsmesseinrichtung zusammensetzt. Je nach Anforderung kann die Messung im Saug- oder Druckbetrieb durchgeführt werden. Für die Drall- und Tumblemessung ist jeweils ein spezielles Messgerät erforderlich, welches vor Messbeginn an die Fließbank adaptiert wird.

Neben den Zylinderkopf-spezifischen Kennwerten für Drall und Tumble wird an der Fließbank auch der Durchflussbeiwert ermittelt. Dieser beschreibt die Güte eines Kanals und ist insbesondere für die Zylinderfüllung von Interesse.

Die gewonnenen Kennwerte können anschließend für gasdynamische Berechnungen weiter verwendet werden. Weiterhin erlauben diese Messergebnisse den Vergleich und eine Bewertung verschiedener Zylinderköpfe und Kanalgeometrien hinsichtlich ihres Drall- und Tumbleverhaltens bzw. deren sogenannten Trade-Off zum Durchflussbeiwert.

Darüber hinaus ist für die Auswertung anschließender oder paralleler Motorprüfstandsuntersuchungen die Kenntnis dieser Werte ebenfalls von Interesse (z.B. hinsichtlich Abmagerfähigkeit, etc.), da so eine Bewertung erleichtert werden kann.