• Exzellenzcluster 2186 „Fuel Science Center – Adaptive Umwandlungssysteme für erneuerbare Energie- und Kohlenstoffquellen“
• FOR 2687 „Zyklische Schwankungen in hochoptimierten Ottomotoren: Experiment und Simulation einer Multiskalen-Wirkungskette"
• Forschergruppe 2401 „Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren"
• Graduiertenkolleg GRK 1856 „Integrierte Energieversorgungsmodule für straßengebundene Elektromobilität" – mobilEM
• Exzellenzcluster 236 „Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse" TMFB
• Sonderforschungsbereich SFB 686 „Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung" (abgeschlossen 2014)
• Sonderforschungsbereich SFB 224 „Motorische Verbrennung" (abgeschlossen 1991)

Die zunehmende Verfügbarkeit nicht-fossiler Energietechnologien eröffnet beispiellose Chancen zur Neugestaltung der Schnittstellen energetischer und stofflicher Wertschöpfungsketten für eine nachhaltige Zukunft. Die Grundlagenforschung des Exzellenzclusters „Fuel Science Center – Adaptive Umwandlungssysteme für erneuerbare Energie- und Kohlenstoffquellen“ (FSC) schafft die Basis für die integrierte Umwandlung von erneuerbarer Elektrizität mit biomassebasierten Rohstoffen und CO₂ zu flüssigen Energieträgern mit hoher Energiedichte (Bio-hybrid Fuels), die eine hocheffiziente und saubere Verbrennung ermöglichen. Im FSC werden Erkenntnisse und wissenschaftliche Methoden erarbeitet, um die motorische Verbrennung fossiler Kraftstoffe durch adaptive Produktions- und Antriebssysteme auf Basis regenerativer Energie- und alternativer Kohlenstoffquellen unter dynamischen Randbedingungen zu ersetzen.

Zyklische Schwankungen in hochoptimierten Ottomotoren: Experiment und Simulation einer Multiskalen-Wirkungskette

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Das übergeordnete Ziel der Forschungsgruppe ist die systematische Analyse von zyklischen Schwankungen als Voraussetzung für die weitere Optimierung moderner, ottomotorischer Brennverfahren. Aktuell wird der Betriebsbereich hochoptimierter Ottomotoren durch das Auftreten unerwünschter Verbrennungsphänomene wie Fehlzündung, unvollständigem Ausbrand oder Klopfen limitiert, die durch zyklische Schwankungen maßgeblich mit beeinflusst werden. Es existieren Strategien, um solche Ereignisse zu minimieren, allerdings reduzieren diese den thermischen Wirkungsgrad und führen damit zu erhöhten CO₂-Emissionen. Für eine weitere Optimierung zukünftiger Ottomotoren ist es daher erforderlich durch ein detailliertes Verständnis der Wirkkette zyklischer Schwankungen den Betriebsbereich zu erweitern und sicherzustellen, dass auch in der Nähe des Stabilitätsrandes ein effizienter Betrieb möglich ist. Hierfür wird ein fundamentales Verständnis der zyklischen Schwankungen essentiell.

Bisher sind Ursachen und Auswirkungen zyklischer Schwankungen weder vollständig verstanden noch prädiktiv beschreibbar. Unter Verwendung neuartiger, experimenteller Verfahren in Kombination mit innovativen Modellentwicklungen und Simulationsverfahren werden durch Vorwärts- und Rückwärtsanalyse der Multiskalen-Wirkungskette ein detailliertes Verständnis der Wirkmechanismen erreicht und prädiktive Simulationsmethoden entwickelt.

Optimierungsbasierte Multiskalenregelung motorischer Niedertemperatur-Brennverfahren

Die ökonomische und ökologische Energiebereitstellung stellt eine zentrale gesellschaftliche Herausforderung dar. Zur Realisierung von hohen Wirkungsgraden bei gleichzeitig niedrigen Schadstoffemissionen untersucht die FOR2401 die zukunftsträchtige Niedertemperaturverbrennung (NTV).

Zur erfolgreichen Realisierung der Multiskalenregelung müssen grundlegende Forschungsfragen aus den Disziplinen Chemie, Verbrennungstechnik, Motorenforschung, Regelungstechnik und Numerik geklärt werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden maßgeschneiderte regelungstechnische Methoden entwickelt, die auf Echtzeitoptimierung basieren und die Kontrolle auf einer kleineren als der aktuell möglichen Zeitskala erlauben. Die Forschung erfolgt im engen Schulterschluss zwischen Natur- und Ingenieurswissenschaftler/innen der Universität Bielefeld, der Universität Freiburg und der RWTH Aachen University.

Maßgeschneiderte Kraftstoffe aus Biomasse

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Wissenschaftsrat (WR)

Das Forschungscluster "Tailor Made Fuels from Biomass" (TMFB) analysiert neuartige Biokraftstoffe, von der ursprünglichen Biomasse bis zur Verwendung in einem Benzin- oder Dieselmotor. Das Forschungscluster nutzt zur Herstellung von Biokraftstoffen eine selektive (bio-)chemische Synthese auf der Basis von Lignin, unter Beachtung der Umweltverträglichkeit und der Verringerung von Motoremissionen. Die Entwicklung von Biokraftstoffen umfasst verschiedene Forschungsfelder wie Biologie, Chemie und Maschinenbau. Daher beteiligen sich diverse Institute der RWTH Aachen am TMFB – Forschungscluster.

In diesem Rahmen analysiert das Institut für Wärme- und Stoffübertragungen experimentell den Strahlaufbruch und die Gemischbildung der verschiedenen Kraftstoffkandidaten unter motorähnlichen Bedingungen. Zur Simulation der Zylinderbedingungen werden eigens angefertigte Hochdruckkammern verwendet. Die Fenster dieser Kammern lassen die Anwendung verschiedener optischer Messtechniken wie Phase-Doppler-Anemometry, Particle-Image-Velocimetry, Laser-Induced-Fluorescence, Laser-Correlated-Velocimetry, High-Speed-Visualizations oder Ballistic-Imaging zu.

01/2008 - 12/2012 (1. Phase), 01/2013 - 10/2017 (2. Phase), 11/2017 - 12/2018 (Überbrückungsphase)

Die Bereitstellung von Energie spielt für den häuslichen Bedarf, für Prozesswärme und für den Transport von Menschen und Gütern eine wichtige Rolle. Gerade für das Transportwesen erscheint die Verwendung flüssiger Kohlenwasserstoffe wegen ihrer großen Energiedichte unverzichtbar.

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bringt jedoch eine Reihe bekannter Nachteile mit sich. Die Verringerung des Schadstoffausstoßes ist daher ein wichtiges Forschungsziel in diesen Bereichen.

Die Abkehr von der mischungskontrollierten Hochtemperaturverbrennung und eine Hinwendung zur homogenisierten Verbrennung bei im Mittel niedrigeren Temperaturen führt jedoch zum Auftreten von Verbrennungsinstabilitäten, die geregelt werden müssen.

Die Applikation einer solchen Regelung soll auf der Basis der für die jeweilige Anwendung gewonnenen Erkenntnisse und der dafür entwickelten physikalischen Modelle erfolgen, es wird sich also um eine modellbasierte Regelung handeln. Die Entwicklung modellbasierter Regelungen für die jeweiligen Anwendungen stellt das mittelfristig angestrebte Ziel dieses SFBs dar.