Hinweis: Das Beitragsbild wurde mit künstlicher Intelligenz erzeugt.
Piezoelektrische Drucksensoren liefern in der Motorenentwicklung präzise Daten über jeden Verbrennungszyklus. Doch die Modelle, mit denen Entwickler diese Rohdaten auswerten, stammen aus einer Zeit, in der Dieselkraftstoff und Benzin gesetzt waren. Bei kohlenstofffreien Kraftstoffen wie Ammoniak oder Wasserstoff greifen diese Standardmodelle nicht mehr zuverlässig. Das zeigt Kistler, Hersteller von Mess- und Prüfsystemen mit Sitz in Winterthur, in einer aktuellen Analyse.
Druckmessung als Grundlage der Motorenoptimierung
In der Motorenentwicklung sitzt ein piezoelektrischer Sensor direkt im Zylinderkopf. Er erfasst den Druckanstieg im Zylinder während jedes Verbrennungszyklus. Aus der resultierenden Druckkurve lesen Entwickler ab, wann der Spitzendruck erreicht wird, wie schnell der Kraftstoff verbrennt und ob die Verbrennung stabil läuft.
Diese Daten sind die Grundlage für die Einstellung des Verbrennungszeitpunkts. Sie helfen, Klopfen zu vermeiden, die Kraftstoffeffizienz zu steigern und Emissionen zu senken. Der Prozess ist seit Jahrzehnten Standard in der Motorenentwicklung.
Neue Kraftstoffe, andere Verbrennungschemie
Future Fuels, also kohlenstofffreie oder kohlenstoffarme Kraftstoffe wie Ammoniak, Wasserstoff und deren Gemische, verändern den Verbrennungsprozess grundlegend. Ihre thermodynamischen Eigenschaften weichen erheblich von denen fossiler Kraftstoffe ab. Flammengeschwindigkeit, Zündverhalten und Wärmefreisetzung folgen anderen Gesetzmäßigkeiten.
Standardmodelle zur Analyse der Wärmefreisetzung, auch als Heat-Release-Analyse bezeichnet, berechnen aus dem gemessenen Zylinderdruck, wie viel Energie zu welchem Zeitpunkt freigesetzt wird. Diese Modelle basieren auf physikalischen Annahmen, die für konventionelle Kohlenwasserstoffkraftstoffe entwickelt wurden. Bei Ammoniak-Wasserstoff-Gemischen sind zentrale Parameter dieser Modelle, etwa das Wärmekapazitätsverhältnis Kappa, nicht mehr gültig.
Kappa als kritische Größe
Der Isentropenexponent Kappa beschreibt das Verhältnis der spezifischen Wärmekapazitäten eines Gases. Er geht direkt in die Berechnung des Druckverlaufs und der Wärmefreisetzung ein. Für Verbrennungsgase aus Kohlenwasserstoffen liegen gut validierte Kennwerte vor. Für Ammoniak und Wasserstoff weichen diese Werte ab. Wer Kappa aus konventionellen Modellen übernimmt, erhält verfälschte Ergebnisse bei der Wärmefreisetzungsanalyse.
Besondere Relevanz für große Motoren in der Schifffahrt
Das Problem betrifft nicht nur Pkw-Motorenentwickler. Besonders groß sind die Auswirkungen bei Großmotoren, wie sie in der Schifffahrt eingesetzt werden. Die Branche steht unter erheblichem Druck, Emissionen zu reduzieren. Ammoniak gilt dort als einer der aussichtsreichsten Alternativkraftstoffe, weil er ohne Kohlenstoff verbrennt und in großen Mengen transportiert werden kann.
Wer Schiffsmotoren für Ammoniak oder Ammoniak-Wasserstoff-Mischungen optimieren will, benötigt valide Analysemethoden. Standardmodelle liefern hier keine belastbaren Daten. Das verzögert Entwicklungszyklen und birgt das Risiko, Motoren auf Basis fehlerhafter Kennwerte abzustimmen.
Anpassungsbedarf bei Messketten und Auswertesoftware
Das Problem liegt nicht beim Sensor selbst. Piezoelektrische Drucksensoren messen physikalisch korrekt, unabhängig vom eingesetzten Kraftstoff. Die Schwachstelle liegt in der nachgelagerten Auswertung. Berechnungsmodelle und Auswertesoftware müssen auf die spezifischen Stoffeigenschaften der jeweiligen Future Fuels angepasst werden. Das betrifft sowohl die thermodynamischen Grundparameter als auch die Modellierung der Flammenausbreitung.
Das DLR betreibt seit 2020 das Institut für Future Fuels an den Standorten Jülich und Köln, das sich gezielt mit klimaneutralen Brennstoffen befasst. Solche Einrichtungen erarbeiten die Basisdaten, auf denen künftige Auswertungsmodelle aufbauen können.
Fazit
Wer Verbrennungsmotoren für kohlenstofffreie Kraftstoffe entwickelt oder zertifizieren muss, kann nicht einfach auf bewährte Auswertungsroutinen zurückgreifen. Standardmodelle zur Wärmefreisetzungsanalyse liefern bei Future Fuels systematisch falsche Werte. Motorenentwickler und Prüfstandsbetreiber müssen ihre gesamte Messkette überprüfen: von den thermodynamischen Eingangsparametern bis zur Auswertesoftware. Wer das übersieht, riskiert fehlerhafte Motorabstimmung und ungültige Entwicklungsergebnisse.
