Großer Einblick durch kleines Fenster

Solange Autos oder Flugzeuge noch nicht effektiv mit regenerativen Energien wie etwa Wasserstoff betrieben werden können, gilt es, den Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß von Verbrennungsmotoren baldmöglichst zu reduzieren.

Einen wichtigen Beitrag hierzu kann ein neues Endoskopsystem liefern, das am Institut für Technische Optik (ITO) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem Institut für Verbrennung und Gasdynamik (IVG) der Uni Duisburg-Essen entwickelt wurde.

Das im Rahmen eines von der Landesstiftung Baden-Württemberg geförderten Kooperationsprojektes entwickelte System ermöglicht erstmals die minimalinvasive 2D-Messung von verbrennungsrelevanten Größen wie etwa der Kraftstoffverteilung. Damit wurden die Voraussetzungen geschaffen, um den komplexen Einspritz- und Gemischbildungsvorgang im Verbrennungsraum gezielt untersuchen und verfeinern zu können.

Bei dem „Tracer-LIF“ genannten Messverfahren („LIF“ = Laser Induced Fluorescence) werden dem Kraftstoff in definierter Konzentration Substanzen als „Tracer“ (Marker) beigefügt, deren optische Eigenschaften bekannt sind. Diese sind zum Teil Standardbestandteile des Kraftstoffes. Sie werden im laufenden Motor durch einen optischen Laser-Lichtschnitt angeregt, für den ebenfalls eine kleine Zugangsoptik entwickelt wurde. Aufgrund der Laseranregung senden die Tracer-Substanzen Fluoreszenzlicht aus.

Diese Lichtemission liegt für die vorgesehene Anwendung im unsichtbaren kurzwelligen Spektralbereich (UV) und dauert nur wenige zehn Nanosekunden. Dieses Fluoreszenzlicht ist trotz einer starken Anregung sehr schwach, kann aber mit dem neuen optischen System durch einen zweiten kleinen Zugang von nur einem Zentimeter Durchmesser mit einer Lichtstärke abgebildet werden, die mit der eines kommerziell verfügbaren, nicht minimalinvasiv arbeitenden Objektivs bei demselben Abbildungsmaßstab vergleichbar ist.

Derzeit werden am IVG Experimente zur Analyse des Fluoreszenzlichts durchgeführt, um nun auch am seriennahen Motor das Kraftstoff-oder auch Äquivalenzverhältnis zu verschiedenen Zeitpunkten optisch messen zu können. Diese Messgrößen sind zum Beispiel beim direkt einspritzenden Motor entscheidend, um die Gemischbildung zu untersuchen.

Das Geheimnis der hohen Lichtstärke liegt in einem neuen Optikdesign, das am ITO in der Arbeitsgruppe von Christof Pruß und René Reichle entwickelt wurde. Es profitiert von den besonderen Eigenschaften der integrierten diffraktiven (auf Beugung basierenden) Komponenten. Sie besitzen eine sehr fein strukturierte Oberfläche mit mikroskopisch kleinen, sägezahnförmigen Strukturen, durch die das gesamte Element als Linse mit besonderen Eigenschaften wirkt. Dies erlaubt es, die Farbfehler der „normalen“ Linsen im System sehr effektiv zu kompensieren.

Hierdurch können besonders leistungsfähige und zugleich kompakte optische Systeme realisiert werden. Im Vergleich zu dem besten käuflichen UV-Endoskop erzielt das neue System des ITO etwa die zehnfache Lichtstärke bei relativ breiten chromatischen Korrekturbereichen und ermöglicht hierdurch Messungen, die bisher nicht minimalinvasiv durchführbar waren. Das System wurde im Rahmen der internationalen Konferenz „Photonics Europe“ in Strassburg auf der Prototypen-Messe „Innovation Village“ präsentiert und als „Best Overall Product“ ausgezeichnet.

Ansprechpartner: René Reichle, Institut für Technische Optik, Tel. 0711/685-69876, e-mail: reichle@ito.uni-stuttgart.de