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IFKM
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Institut für Kolbenmaschinen (IFKM)

Prof. Dr. sc. techn. Thomas Koch 

Rintheimer Querallee 2
D-76131 Karlsruhe

Tel.: +49 721 608-42431
Tel.: +49 721 608-42432

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Die Forschungsstruktur des IFKM


 

Die fachlichen Grundpfeiler des Instituts bilden die drei Forschungssäulen: Die kontinuierliche CO2-Reduzierung, die weitere Reduzierung der sonstigen motorischen Emissionen und eine Gesamtsystemvereinfachung. Wirkungsgradsteigerung und die Auswahl alternativer Kraftstoffe sind die wesentlichen Maßnahmen zur CO2-Reduzierung. Eine Optimierung aller verbrennungsrelevanten Prozesse und die enge Kopplung mit abgasnachbehandlungsseitigen Fragestellungen stehen im Vordergrund zur Reduzierung der motorischen Emissionen. Eine Gesamtsystemvereinfachung zielt auf Fragestellungen beispielsweise zur Reduzierung der Systemkomplexität, zur Kühlsystementlastung, zur Edelmetallreduzierung der AGN-Substrate oder einer reduzierten Steuergeräteauslastung durch verbesserte Regelungsstrategien.

Die drei Säulen des Forschungsprofils bilden dabei den konzeptionellen Überbau für die Schwerpunktthemen des IFKM (siehe unten), welche sich alle einem oder überlappend mehreren Forschungsfeldern zuordnen lassen.

Die Querverzahnungen der Matrix bilden die Basis für die erfolgreiche Bearbeitung der Fragestellungen in den Forschungsfeldern. Ein breites Spektrum an Motorenprüfständen, ausgestattet mit Standard- und Sondermesstechnik auf exzellentem Niveau, ermöglicht ein effektives Arbeiten im Prüffeld. Der Einsatz optischer Analysemethoden liefert im Bedarfsfall wertvolle Erkenntnisse, die mit konventioneller Messtechnik nicht zu erlangen wären. Die numerische Simulation bietet bei diversen Aufgabenstellungen zusätzliche Möglichkeiten sowohl bei der Vorausberechnung komplexe Systeme als auch bei der Analyse experimentell gewonnener Daten.

Schwerpunktthemen

Brennverfahren: Der Fokus im Rahmen der Brennverfahrensentwicklung liegt auf der Reduktion der Abgasemissionen und der Steigerung des Wirkungsgrads. Hierzu wird der Prozess umfangreich thermodynamisch und optisch analysiert, um ein detailliertes Verständnis der beeinflussenden Effekte zu generieren und Optimierungsmaßnahmen abzuleiten.

Motorsystem und Abgasnachbehandlung: Der Verbrennungsmotor muss aufgrund der Interaktion aller relevanten Teilsysteme wie Luftversorgung und Aufladung, Gemischaufbereitung und Verbrennung, Abgasnachbehandlung, Thermomanagement und Restwärmenutzung sowie Hybridisierung als komplexes Gesamtsystem gesehen und verstanden werden, um weitere Optimierungsmaßnahmen zielführend und effizient durchführen zu können.

Emissionen: Entstehungsmechanismen limitierter Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Ruß bzw. Partikel im Brennraum und im Abgastrakt von Verbrennungsmotoren werden erforscht. Dabei kommen modernste zeitlich und örtlich hochauflösende Messtechniken und theoretische reaktionskinetische Ansätze zur Anwendung. Aus den gewonnen Erkenntnissen werden innermotorische Maßnahmen zur Schadstoffreduktion abgeleitet.

Ölkreislauf und Aerosole: Ölhaltige Aerosole aus der Kurbelgehäuseentlüftung moderner Motoren beeinflussen das thermodynamische Verhalten der Aggregate negativ und führen durch Verschmutzung und Ablagerung zu schädigenden Auswirkungen an diversen Bauteilen. Das Arbeitsfeld befasst sich mit den zugrundeliegenden Entstehungsmechanismen, erarbeitet neuartige Messverfahren und nachhaltige Minderungsstrategien.

Restwärmenutzung: Die Nutzung des exergetischen Potentials von Abgas, Kühlwasser und weiterer Quellen wird zunehmend an Bedeutung gewinnen. Ein Clausius-Rankine-Zyklus der ersten Generation mit reiner Abgaswärmenutzung erlaubt Verbrauchsvorteile bis über 4 Prozent, abhängig von Motorauslegung, Fahrzyklus und Gesamtsystemauslegung. Potentiale oberhalb von 10 Prozent sind langfristig realistisch und Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Alternative Kraftstoffe: Der unabdingbare Weg zur nachhaltigen Mobilität ist durch den Einsatz von regenerativ erzeugten Kraftstoffen langfristig möglich. Kohlenwasserstoffe und Oxygenate sind mögliche Alternativen. Die Auswahl geeigneter Kraftstoffe sowie die motorische und abgasnachbehandlungsseitige Optimierung unter Berücksichtigung anwendungsspezifischer Besonderheiten stehen daher im Zentrum der Forschungsaktivitäten.

Blockheizkraftwerke: Die kombinierte Nutzung von Wärme und Strom in einem Blockheizkraftwerk macht den Primärenergieträger zu über 85% nutzbar. Die Versorgung von Gebäuden, egal ob industriell oder als Wohnraum genutzt, ist mit dieser Technik auch wirtschaftlich vielversprechend. Dieser Effekt ist umso größer, je größer der Wirkungsgrad auf dem Pfad der Erzeugung elektrischer Energie darstellbar ist. Gegenstand unserer Forschung sind verschiedene Ansätze zur Wirkungsgradsteigerung aus Sicht der Verbrennung.