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Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine neue laserdiagnostische Messtechnik entwickelt, um die Rußbildung in Verbrennungsmotoren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung zu untersuchen. In zwei interdisziplinären Teilprojekten des Sonderforschungsbereichs "Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktionen, Technische Systeme", als dessen Sprecher Professor Henning Bockhorn vom KIT fungiert, werden die Konzentration des Rußes und die räumliche Verteilung direkt im Brennraum gemessen.
Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollen es ermöglichen, die Rußemission der Motoren zu beeinflussen und damit der Partikelemission entgegenzuwirken. Darüber hinaus dienen die Messergebnisse dazu, mathematische Modelle zu erstellen, um die physikalisch-chemischen Prozesse bei der Bildung und Oxidation von Ruß quantitativ zu beschreiben. "Derartige Modelle könnten künftig bei der Entwicklung neuer Motoren eingesetzt werden, um das Verhalten unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu simulieren", erklärt einer der beteiligten Projektleiter, Professor Rainer Suntz vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie des KIT. "Im Vergleich zu experimentellen Untersuchungen ließen sich dadurch erheblich Zeit und Kosten einsparen."
Zur Untersuchung der Rußbildung setzen die Forscher laserdiagnostische Messmethoden ein: Zwei zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Laserpulse generieren mehrere Messsignale innerhalb einer zehnmillionstel Sekunde. Damit lassen sich Rußkonzentration, Partikelgrößen sowie die Teilchenanzahl im Brennraum eines Zylinders des Motors mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zweidimensional bestimmen.
Die Messungen zeigten eine mehr oder weniger starke Rußbildung direkt über der Kolbenoberfläche. Im eigentlichen Brennraum darüber sei dagegen relativ wenig Ruß zu beobachten. Der Ruß über der Kolbenoberfläche stamme aus sogenannten Pool-Fires - brennenden Kraftstoffpfützen, die sich durch Benetzung des Kolbens aufgrund der Einspritzung kurz vor dem oberen Totpunkt bilden. Dieser Kraftstoff werde vergleichsweise spät verbrannt, wenn er durch die in der Gasphase ablaufende Verbrennung ausreichend erwärmt wurde. Zudem seien die Temperaturen dieser Pool-Fires relativ gering, da die Verdampfung des Kraftstoffs und die hohe Wärmeleitung des Aluminiumkolbens der Verbrennung viel Wärme entziehen. Das führe dazu, dass Zeit und Temperatur für die vollständige Verbrennung der durch Pool-Fires gebildeten Rußpartikel nicht genügen - diese werden mit dem Abgas des Motors emittiert.