Lars Schomann

Die Optimierung des Verbrennungsprozesses und der Abgasnachbehandlung spielt bei der Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren eine entscheidende Rolle. Ein sehr hohes Verbesserungspotential besteht während der Kaltstartphase und hoch dynamischen Motorverhaltens. Die zeitlich hoch aufgelöste Analyse der Abgaszusammensetzung während dieser Betriebszustände liefert häufig notwendige Informationen für das Verständnis der komplexen Vorgänge im Motor und in der Abgasnachbehandlung.

Abgasmesssysteme für diese Aufgabe müssen sich vielen Herausforderungen stellen, die aus einer komplexen Abgaszusammensetzung, rapiden Temperatur- und Druckschwankungen sowie einer möglichen Partikelbelastung an der Entnahmestelle resultieren. Massenspektrometrie (MS) und Fourier Transform Infrarot Spektrometrie (FTIR) werden häufig für die Abgasanalyse eingesetzt, jedoch hat jedes dieser Systeme für sich einige Nachteile im Bezug auf messbare Abgaskomponenten, die zeitliche Auflösung, den Kalibrieraufwand sowie die Langzeitstabilität.

Das hybride Spektrometersystem IRMA verbindet FTIR und MS durch eine Echtzeit-Datenfusion von Status- und Messsignalen beider Analysatoren. Die kontinuierliche Überwachung von Statussignalen, wie z.B. Temperaturen und Drücke, ermöglicht die Kompensation einiger Einflüsse auf die gemessenen Gaskonzentrationen. Vergleiche von Konzentrationsverläufen beider Analysatoren in Echtzeit lassen Rückschlüsse auf die Systemstabilität und –Sensitivität zu und können dazu genutzt werden, den Kalibrieraufwand deutlich zu verringern.

Unterschiedliche Anwendungen des IRMA Messsystems zeigen die Möglichkeiten und Vorteile der Datenfusion auf. Einflüsse von Temperatur- und Druckschwankungen an der Abgasentnahmestelle auf Konzentrationsmessungen können kompensiert werden. Die gleichzeitige Messung einiger Abgaskomponenten mit beiden Analysatoren macht eine Kalibrierung des MS teilweise überflüssig und führt zu einer gesteigerten zeitlichen Auflösung. Durch die Möglichkeit des IRMA Messsystems, gleichzeitig ein breites Spektrum unterschiedlicher Abgaskomponenten zu messen, können komplexe Entwicklungsaufgaben, auf die die gesamte Abgaszusammensetzung einen Einfluss haben kann (z.B. Katalysatoren) schneller vorangetrieben werden.

Projektträger: Bundesministerium für Wirtschaft und Industrie (BMWI)
Laufzeit: Jan. 2007 - Juli 2010

Die Anzahl und Größenverteilung von Verschleißpartikeln im Schmieröl von Verbrennungsmotoren sind Indikatoren für den jeweiligen Zustand der Maschine. Veränderungen in der Größenverteilung, insbesondere ein Anstieg der Anzahl größerer Partikel zeigt häufig einen beginnenden Verschleiß von Maschinenteilen auf. Eine Überwachung der Verschleißpartikel im Schmieröl während des normal Betriebs der Maschine kann hilfreich dabei sein, den Zeitpunkt für eine Wartung der Maschine zu bestimmen bzw. einem fatalen Schaden, verursacht durch erhöhten Verschleiß, vorzubeugen.

Das Messsystem OILPAS nutzt eine optische Methode, bei der Partikel aus einem dünnen Ölfilm abgebildet und anschließend automatisch gezählt und klassifiziert werden. Dazu wird ein kontinuierlicher Strom unverdünnten Motorenöls dem Ölkreislauf der Maschine entnommen, durch das Messsystem gepumpt und an geeigneter Stelle zurückgeführt. In dem Messsystem wird ein kleiner Teil des Ölstroms durch eine dünne, transparente Flusszelle geleitet, die von einem hellen LED-Blitz durchleuchtet wird. Bilder des Ölfilms in der Flusszelle werden mittels einer Vergrößerungslinse und einer hochauflösenden Digitalkamera aufgenommen. Eigens entwickelte Bildverarbeitungsalgorithmen gleichen Helligkeitsschwankungen des Bildhintergrunds aus, erkennen, zählen und vermessen Objekte im Bild und klassifizieren diese z.B. als Verschleißpartikel oder Gasblase. Zuwachsraten bestimmter Partikelklassen werden überwacht, um kritische Maschinenzustände vorherzusagen.

Die Bildverarbeitungsalgorithmen wurden mit Hilfe von Ölproben aus Motoren mit unterschiedlichen Schadensbildern trainiert. Dabei konnte eine Unterscheidung des Schadens anhand der berechneten Partikeleigenschaften gezeigt werden. Darüber hinaus wurde das OILPAS Messsystem an Motorprüfständen erfolgreich getestet, wobei unter Anderem ein bevorstehender Schaden eines Kurbelwellenlagers frühzeitig erkannt werden konnte. Weiter konnte gezeigt werden, dass durch eine Auswertung der erkannten Gasblasen im Öl ein Wert für die Ölverschäumung abgeschätzt werden kann und berechnete Werte eine sehr gute Korrelation mit dynamischem Motorverhalten ausweisen.

TUHH, 2010