Die Forschungsgebiete des RSM sind breit gefächert. Dementsprechend vielfältig sind die in unseren Laboren verfügbaren Prüfstände. An diesen werden mittels fortschrittlicher Messtechnik strömungsmechanische und thermochemische Prozesse und Phänomene untersucht. Nachfolgend werden alle vom RSM betriebenen Prüfstände vorgestellt.

In einem vollautomatischen Prüfstand wird ein synthetisches Abgas erzeugt und durch einen DOC geleitet. Mittels verschiedener Messtechniken (z.B. FTIR, FID) wird das Abgas hinter dem Katalysator analysiert, um die Katalysatorleistung unter verschiedenen Abgasbedingungen (Zusammensetzung und Temperatur) zu bewerten. Der Prüfstand kann für stationäre Messungen eingesetzt werden, erlaubt aber auch dynamische Experimente zur Simulation von Fahrzyklen in Echtzeit. Die experimentellen Untersuchungen werden durch numerische Modelle unterstützt, die ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen und chemischen Prozesse ermöglichen, die das komplexe Verhalten eines DOC steuern.

Bild: Michael Haas, RSM

Der Druckbrennkammer-Prüfstand bietet die Möglichkeit, grundlegende Verbrennungsprozesse bei erhöhten Drücken zu untersuchen. Das zentrale Element des Prüfstandes bildet ein durchströmter Druckbehälter, in dem Drücke von bis zu 10 bar eingestellt werden können. Quarzglasfenster an drei Seiten des Druckbehälters gewähren optische Zugänglichkeit zum Messobjekt und erlauben die Anwendung fortschrittlicher optischer Messverfahren. Durch seinen modularen Aufbau ermöglicht der Prüfstand die Durchführung verschiedener Experimente zur Untersuchung unterschiedlicher Verbrennungsphänomene. Der Fokus bisheriger Experimente lag auf der Untersuchung des Einflusses von Effusionskühlluft auf eine drallstabilisierte Flamme. Derzeit und zukünftig wird der Prüfstand für Flamme-Wand-Interaktions-(FWI)-Experimente genutzt. Diese dienen zur Erforschung des Flammenverlöschens bei praxisrelevanten Bedingungen.

Am Flamme-Wand-Interaktions-Brenner werden grundlegende strömungsmechanische und thermochemische Phänomene beim Flammenverlöschen untersucht. Hierzu zählt die Emissionsbildung. Der Prüfstand bietet eine gute optische Zugänglichkeit, sodass die relevanten Phänomene mit fortschrittlichen Lasermesstechniken erfasst werden können. Damit werden Prozessparameter wie Wandgrenzschichtströmungen, Temperaturverteilungen oder die lokalen Konzentrationen chemischer Spezies teils simultan akkurat und präzise vermessen. Diese experimentellen Daten bilden die Basis für ein vertieftes Prozessverständnis.

Um die thermochemischen Effekte, die innerhalb eines SCR-Systems (SCR: selektive katalytische Reduktion) ablaufen, beobachten und vermessen zu können, wurde ein generischer Abgasprüfstand aufgebaut, der die Lücke zwischen realen Abgasnachbehandlungssystemen und Sprühkammern im Labormaßstab schließt. Darin sind reproduzierbar Temperaturen zwischen 20 °C und 450 °C, sowie Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 2 m/s und 10 m/s einstellbar. Die Strömungsführung sorgt für eine voll ausgebildete, turbulente Strömung im Messbereich. Die Messkammer ermöglicht durch eingebaute Quarzglasscheiben eine optische Zugänglichkeit von vier Seiten.

Am kombinierten Raman- und Rayleighspektrometer werden auf einem eindimensionalen Probevolumen die Phänomene der Interaktion von Turbulenz und Chemie untersucht. Dabei ermöglicht diese Messtechnik die simultane quantitative Bestimmung von Temperatur und Hauptspezieskonzentrationen mit sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. Versuchsobjekte sind offene, größtenteils turbulente Flammen mit reproduzierbar einstellbaren Randbedingungen. Neben der Erweiterung des Verständnisses solcher Flammen, können die erhaltenen Daten auch für die Validierung numerischer Modelle verwendet werden. Das Verfahren ist bereits weitreichend auf Wasserstoff- und Methanflammen angewendet worden. Neue Forschungsfragen stellen sich im Bereich von Flammen, die durch hohe Karlovitz-Zahlen charakterisiert sind. Zum anderen besteht Forschungsbedarf auf Seiten molekular komplexerer Brennstoffe, wie etwa Ethanol, dem synthetischen Kraftstoff OME sowie Ammoniak. Dafür wurde der Prüfstand um einen höher auflösenden Raman- Brennstoff-Kanal erweitert. Eine große Herausforderung besteht in dem Vorhaben, die an offenen Flammen etablierte Technik auf Forschungsfragen im Bereich Flamme-Wand-Interaktion zu adaptieren.

Innerhalb des laminaren Flugstromreaktors wird die Verbrennung partikelförmiger Feststoffe wie beispielsweise Biomasse, Kohle oder Kunststoffe mit zeitlich hochaufgelöster Lasermesstechnik untersucht. Hierzu wird die definierte Verbrennungsatmosphäre einer vorgemischten Methanflamme genutzt, um mit hohen Aufheizraten die Zündung der Partikel in einem laminaren Coflow zu realisieren.

Am Mikrowellenplasmabrenner (MWPH) wird die Selbstzündung unterschiedlicher Brennstoffe unter stark turbulenten Bedingungen experimentell untersucht. Um eine ausreichend hohe Temperatur im mit Sauerstoff angereicherten Coflow zu erreichen, wird ein Plasma eingesetzt, welches mithilfe einer Mikrowelle stabilisiert wird. Aktuell wird neben der Selbstzündung von Biogas die Verbrennung von Feststoffpartikeln wie Biomasse oder Kohle am MWPH untersucht.

Am optisch zugänglichen Forschungsmotor werden grundlegende physikalische Prozesse von Ottomotoren untersucht. Der Einzylindermotor bietet über ein Kolbenfenster und den Glaszylinder einen optischen Zugang zum Brennraum. Mittels laseroptischer Diagnostik, wie beispielsweise laserinduzierte Floureszenz, Particle Image Velocimetry oder thermographische Phosphore, werden innermotorische Skalar- und Vektorfelder gemessen. Dies ermöglicht es Phänomene wie z.B. Spray-Strömungs-Interaktionen, Flamme-Wand-Interaktionen oder die frühe Gemischbildung bis hin zur Zündung und Flammausbreitung zu untersuchen und dabei Validierungsdaten für numerische Simulationen bereitzustellen.

Das Portable Multispezies Emissionsmesssystem basiert auf tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) und ist in der Lage, neben den zurzeit reglementierten Emissionsspezies CO, NO, NO2 auch CO2, H2O, NH3, CH4 und H2CO zu detektieren. Hierbei wird in-situ, also ohne Probennahme oder Gas-Aufbereitung, direkt am Ende des Abgassystems gemessen. Das System kann stationär am Prüfstand betrieben werden, ist aber auch in der Lage, im realen Fahrbetrieb eingesetzt zu werden (Real Driving Emissions, RDE).

An diesem Prüfstand werden chemische Spezies synthetisiert und auf ihre spektroskopischen Eigenschaften hin analysiert. Als Beispiel sei Isocyansäure genannt, der eine Schlüsselrolle bei der SCR-Katalyse zukommt (SCR: selektive katalytische Reduktion zur Minderung von Stickoxidemissionen aus motorischen Prozessen). Die Herausforderung liegt in der Herstellung von Isocyansäure bei bekannter Konzentration, variablem Druck und variabler Temperatur als Grundvoraussetzung, um z.B. Absorptionseigenschaften dieses Stoffes für einen quantitativen Nachweis zu ermitteln. Hierfür werden die Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (FTIR) und Tuneable-Diode-Laser-Absorption-Spectroscopy (TDLAS) verwendet.

Um die CO2-Emissionen von Kraftwerken in Zukunft zu reduzieren, sind neue Technologien zur Bereitstellung von sauberer Elektrizität erforderlich. Mit der am RSM betriebenen Staubbrennkammer wird ein alternativer Verbrennungsprozess von pulverisiertem Festbrennstoff, genannt „oxy-fuel“, untersucht. Bei dem oxy-fuel-Verfahren wird pulverisierte Biomasse in einer Atmosphäre aus rezirkuliertem Abgas und Sauerstoff verbrannt. Dies ermöglicht eine effiziente CO2-Abscheidung (Carbon Caprure and Sequestration, CCS oder Utilization, CCU), bevor die Abgase an die Umwelt abgegeben werden. Mit moderner Laserdiagnostik (Particle Image Velocimetry (PIV), Particle Tracking Velocimetry (PTV), Laser-induced Fluorescence (LIF), Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS), Phosphorthermografie, Laser-induced Incandescence (LII)) wird der veränderte Verbrennungsprozess untersucht und es werden numerische Modelle entwickelt und validiert, um zukünftig deutlich zuverlässigere Simulationswerkzeuge für die zeitnahe Entwicklung CO2-freier Kraftwerke bereitzustellen.

An einer Druckkammer wird Tropfenverdampfung und Stoffmischung unter hohen Drücken quantitativ untersucht, um Prozesse in der Lebensmittelchemie, aber auch Mehrphasenprozesse in Raketenbrennkammern oder Einspritzvorgänge in Dieselmotoren nachzubilden. Speziell Temperaturen der Flüssig- und Dampfphase, sowie lokale Massenbrüche binärer Mischungen sollen quantifiziert werden. Für Messungen kommen die laserinduzierte Fluoreszenz, Phosphoreszenz sowie Ramanstreuung zum Einsatz.