Kompetenzen

  • Auf dem Weg zur CO2-freien Mobilität spielt der Energieträger Wasserstoff eine Schlüsselrolle, da sich hiermit sukzessive fossile Energieträger substituieren lassen und so die ambitionierten Klimaziele überhaupt erst erreichbar werden. Die fortwährende Weiterentwicklung von Wasserstofftechnologien sowie die steigenden Preise für fossile Kraftstoffe führen dazu, dass die direkte Verwertung von Wasserstoff in Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren zunehmend wirtschaftlicher wird. Neben diesen beiden zentralen Technologien zur Umwandlung der chemisch gebundenen Energie in elektrische oder mechanische Energie, spielt die Gewinnung, Speicherung und Verteilung des Wasserstoffs eine ebenso wichtige Rolle in einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft.

    Das Labor „Hydrogen Technologies for Transport“ (H2T2) an der OTH Regensburg will sich neben der dem Themengebiert der Energiewandlung auch den Herausforderungen der Wasserstoffversorgung (Herstellung und Speicherung) stellen.

    Zur Untersuchung diverser Wasserstofftechnologien verfügt das Labor über umfassende Messtechnik und Prüfeinrichtungen. Durch entsprechende Prüfzellen wird der sichere Forschungsbetrieb mit Wasserstoff ermöglicht und bietet auch Industriepartnern aus dem Forschungs- und Entwicklungsbereich die Möglichkeit bestehende und zukünftige Technologien beispielsweise auf die Wasserstoffverträglichkeit zu untersuchen.


  • Foto von mehreren alternativen Kraftstoffen in kleinen Glasbehältern

    Durch die Verbrennung von fossilen Kraftstoffen im Bau- und Transportsektor werden große Mengen Kohlendioxid (CO2) freigesetzt, wodurch der Klimawandel weiter voranschreitet. Bereiche wie LKW-, Flug-, Schiffsverkehr und Baumaschinen können aufgrund der niedrigen Energiedichte von Batteriespeichern nur begrenzt elektrifiziert werden, weshalb hierfür andere, CO2-neutrale, Lösungsansätze gefunden werden müssen.

    Im Labor für Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlung wird an einer Vielzahl von CO2-neutralen und schadstoffarmen Kraftstoffen für Verbrennungskraftmaschinen geforscht. Kern der Forschungsarbeiten sind experimentelle Untersuchungen mit verschiedenen Kraftstoffen, Kraftstoffmischungen und Abgasnachbehandlungskonzepten an einem Einzylinder-Forschungsmotor oder verschiedenen Mehrzylindermotoren (PKW, Nfz, Industrie-/Baumaschinenmotoren). Begleitend zur experimentellen Forschung werden 0D/1D-Simulationen des Motorprozesses und der Hydraulik von Einspritzsystemen durchgeführt.

    Eine Einbindung dieser Kraftstoffe in bestehende Motoren kann aufgrund von Unterschieden in den chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht ohne weiteres erfolgen. Die Verträglichkeit des Einspritzsystems auf den Kraftstoff sowie Einflüsse der Viskosität, Dichte, etc. auf Einspritzung, Gemischbildung und Verbrennung werden im Labor Verbrennungsmotoren und Abgasnachbehandlung tiefgreifend erforscht.

    Unsere Kernkompetenzen bei der Motoroptimierung und Erforschung alternativer Kraftstoffe:

    • Untersuchung verschiedenster Kraftstoffe und Kraftstoffmischungen/Blends am Motorprüfstand
    • Anpassung der Motorsteuerung an die alternativen Kraftstoffe (Heizwert, Zündeigenschaften, …)
    • Leistungs- und Emissionsmessungen am Motorprüfstand und Bewertung/Vergleich der Kraftstoffe anhand von Messdaten mit Referenzkraftstoffen (Diesel, Benzin)
    • Brennverfahrensentwicklung und Anpassung von Motorkomponenten (Kolben, Brennraumgeometrie, Aufladung, …)
    • Ermittlung und Analyse sämtlicher Abgasbestandteile mittels Massenspektrometrie, Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR), Abgasmessanlage und Partikelmesstechnik (Größenverteilung, Masse, Anzahl)
    • Umfangreiche thermodynamische Analysen um tiefgreifendes Verständnis des Verbrennungsprozesses zu erlangen
    • Grundlagen Untersuchungen zum Einspritzverhalten (Spray, Hydraulik) und an Einspritzkomponenten mit Hilfe von Systemprüfständen
    • Hardwareanpassung und Test von modifizierten Einspritzkomponenten am Motor- und Einspritzprüfstand
    • Auswirkungen auf Abgasnachbehandlung/Entwicklung neuer Abgasnachbehandlungskonzepte
    • Erforschung neuartiger Diagnosemöglichkeiten mittels Software und Sensorik (Kraftstofferkennung, Abgas Sensorik, …)

  • Foto eines Katalysators mit erkennbarer Wabenstruktur

    Die Abgasnachbehandlung ist ein wichtiger Teil eines Verbrennungsmotors. Durch die Gesetzgebung werden die Grenzwerte für die Abgasemissionen immer strenger, um die Luftqualität zu steigern. Das Labor verfügt über ein weites Spektrum an Messgeräten, um Optimierungen und Anpassungen am Verbrennungsmotor und Abgasnachbehandlungssystem zu erforschen.

    Obwohl Verbrennungsmotoren und deren Regelung hinsichtlich der Bildung von Schadstoffen ständig optimiert werden, lässt sich die Entstehung schädlicher Abgaskomponenten nicht vollends vermeiden. Damit diese Schadstoffe nicht in die Umwelt gelangen, sind Abgasnachbehandlungssysteme unerlässlich. Um umweltfreundlichere Verbrennungsmotoren zu entwickeln und damit strengste Emissionsgrenzwerte einhalten zu können, forschen wir an Abgasnachbehandlungssystemen. Unser Forschungsspektrum hierzu umfasst verschiedene Untersuchungen zu Sensorik und Katalyse sowohl an Benzin als auch Dieselmotoren. Die Vorhaben tragen dazu bei, die Effizienz der Nachbehandlung über größtmögliche Bereiche des Motorkennfelds, und auch bei ungünstigen Randbedingungen, wie zum Beispiel in Kaltstartphasen, weiter zu steigern.


  • Aufgrund der Komplexität der Vorgänge während des Verbrennungsprozesses und der schlechten Zugänglichkeit des Brennraumes, können viele Zustandsgrößen und Vorgänge im Motor nicht, oder nur mit enormem Aufwand erfasst und beschrieben werden. Die Motorsimulation ermöglicht es nicht messbare Größen abzuschätzen und neue Brennverfahrenskonzepte und Komponenten kosteneffizient, und in einer sehr frühen Phase der Motorentwicklung zu untersuchen und zu optimieren.

    So kann beispielsweise mittels 3D-CFD das Strömungsfeld im Brennraum, das maßgeblich für die Gemischaufbereitung des Motors verantwortlich ist, untersucht und optimiert werden.  Ein weiteres Beispiel ist die Bestimmung des Restgasgehalts mittels 1D-Ladungswechselsimulation. Dieser Wert ist praktisch nicht messbar, aber sehr wichtig hinsichtlich Schadstoffemissionen und Effizienz. Beispiele für Simulationsanwendungen wie diese gibt es sehr viele, weshalb Simulationsmethoden aus der modernen Motorenentwicklung nicht mehr wegzudenken sind.

    Die 1D-Simulation ist dabei die gebräuchlichste Simulationsart. Sie kombiniert ausreichende Genauigkeit mit überschaubarem Rechenaufwand. So können Entwicklungsingenieur:innen mit Rechnergestützten Methoden beispielsweise den Effekt verschiedener Turbolader-Kombinationen innerhalb weniger Minuten austesten, ohne das Büro zu verlassen. Der Untersuchungsraum ist dabei nicht nur auf die Verbrennung beschränkt, sondern kann auch auf Motor- und Fahrzeugkomponenten wie z.B. Einspritzsysteme, Abgasnachbehandlungssysteme, Batterie-Packs oder Brennstoffzellen erweitert werden. Auch Gesamtsystemsimulationen sind möglich. So kann beispielsweise mit modernen 1D-Simulationsumgebungen ein ganzes Fahrzeug abgebildet werden, um es dann mit Hilfe von Live-Verkehrsdaten virtuell im Verkehr zu testen.

    An der OTH-Regensburg wird aktuell die Verwendung synthetischer Kraftstoffe in Diesel- und Ottomotoren untersucht. Die 1D-Simulation bildet dabei einen wichtigen Bestandteil der Verbrennungsanalyse, wie auch der Einspritzsystementwicklung. Ziel ist es zuerst den Ist-Zustand der Verbrennung synthetischer Kraftstoffe abzubilden, um daraus anschließend Optimierungen und Optimierungsempfehlungen für Motorkomponenten abzuleiten, die eine optimale Nutzung der neuartigen Kraftstoffe ermöglichen.


  • Foto von einem Prüfstand zur optischen Untersuchung von Einspritzvorgängen

    Die Bildung von Schadstoffemissionen und die Effizienz eines Verbrennungsmotors werden maßgeblich von der Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum beeinflusst. Da das Einspritzsystem als Bindeglied zwischen Kraftstoff im Tank und Brennraum fungiert, beeinflusst es die Verbrennungsqualität unmittelbar, wodurch eine optimale Abstimmung der Komponenten auf den jeweiligen Kraftstoff entscheidend ist.

    Um den Einfluss verschiedener Kraftstoffeigenschaften (Physikalisch/Chemisch) und Systemkomponenten (Düsen, Hochdruckpumen) auf das hydraulische Einspritzverhalten und die Gemischbildung untersuchen zu können, verfügt das Labor für Verbrennungsmotoren über folgende Kompetenzen und Messmethoden.

    Hydraulische Untersuchung/Mengenverhalten

    Zur hydraulischen Vermessung von Einspritzsystemen verfügt das Labor Verbrennungsmotoren über einen HDA-Einspritzratenanalysator der Firma Moehwald GmbH. Hiermit können Einspritzraten und Einspritzmassen verschiedener Düsen und Einspritzsysteme gemessen werden. Bei dem Messsystem handelt es sich um ein kraftstoffunabhängiges Messprinzip, weshalb es sehr gut für die Untersuchung alternativer Kraftstoffe geeignet ist. Somit kann der Einfluss verschiedener Kraftstoffeigenschaften wie z.B. der Viskosität auf das Einspritzsystemverhalten eingehend untersucht werden.

    Folgende Ergebnisse können an der OTH generiert/abgeleitet werden:

    • Ableiten von Mengenkennfelder (Applikation)
    • Auswirkung von Mehrfacheinspritzungen auf Systemdynamik (z.B. Ballistischer Betrieb)
    • Untersuchung der Injektor Hydraulik (Nachspritzer, Shot-To-Shot Streuung, Ratenverlauf)
    • Einfluss alternativer Kraftstoffe auf Einspritzverhalten
    • Optimierung von Systemkomponenten (Düsen-/Pumpenentwicklung)
    • Daten zur Validierung von Hydraulik-Simulationsmodellen

    Optische Messmethoden

    Um den Einspritzstrahl und dessen Zerfall näher untersuchen zu können, steht im Labor für Verbrennungsmotoren der OTH Regensburg eine Hochdruckkammer mit optischen Zugängen zur Verfügung. Die Kammer kann temperiert werden, um Verdampfungseffekte abbilden zu können und der Einfluss verschiedener Gegendrücke auf die Einspritzung kann durch eine Beaufschlagung mit Stickstoff simuliert werden. Für die optische Aufnahme stehen verschiedene Kameras, Optiken und Belichtungssysteme im Labor zur Verfügung.

    Folgende Kenngrößen können bestimmt werden

    • Strahleindringtiefe
    • Strahlaufbruchwinkel
    • Strahlgeschwindigkeit
    • Spray-Häufigkeitsverteilung
    • Tropfengrößen

    Weitere Vorteile der optischen Messmethode

    • Veranschaulichung des Einspritzprozesses
    • Begutachtung des Strahlzerfalls unter verschiedenen Randbedingungen
    • Optimierung der Gemischbildung abseits des Motors
    • Vergleichende Begutachtung von Injektoren
    • Gewinnung experimenteller Resultate zur Validierung von Simulationsmodellen

    An der OTH Regensburg findet zum einen die Schattenbildtechnik und zum anderen die Schlieren Technik Anwendung in der Analyse von Einspritzstrahlen.


  • Foto eines akustischen Messaufbaus mit Mikrofon vor einem Verbrennungsmotorenprüfstand

    Das Geräuschspektrum eines Fahrzeuges ist durch die Anzahl der Komponenten komplex und wird vor allem durch den jeweiligen Antriebsstrang dominiert. Dabei spielt zum einen die Optimierung und Analyse auf Komponentenebene eine wichtige Rolle, zum anderen aber auch die Analyse des Gesamtgeräusches.

    Beispielsweise ist das Geräuschspektrum eines mit Verbrennungsmotor betriebenen Fahrzeuges nicht nur durch den Verbrennungsvorgang charakterisiert, sondern auch durch die Schallabstrahlung einzelner Komponenten wie beispielsweise von Getriebe, Injektoren, oder auch Kraftstoffpumpen.

    Neue Herausforderungen, durch ein geändertes Geräuschspektrum, ergeben sich auch durch den Einsatz hybrider oder voll-elektrischer Antriebskonzepte und hier vor allem durch die Elektromotoren mit Invertern und Getrieben, welche einen sehr tonhaften Charakter haben.

    Da sich die Automobilindustrie mit immer höher werdenden Kundenanforderungen bezüglich Komforts konfrontiert sieht, ist die NVH (Noise Vibration Harshness) Analyse ein essentieller Bestandteil der Entwicklungsarbeiten. Somit werden die Systeme nicht nur bezüglich bestimmter Primärfunktionen optimiert, sondern auch hinsichtlich Sekundärfuntkionen wie z.B. der Geräuschabstrahlung.

    Zur Bestimmung des Geräuschspektrums verfügt das Labor über umfassendes messtechnisches Equipment. Neben klassischen Mikrofon- und Beschleunigungsmessungen können außerdem Untersuchungen mit einer akustischen Kamera, Laservibrometer und Binauraltechnik in den reflexionsarmen Räumen der OTH Regensburg durchgeführt werden.

    Im Bereich Fahrzeugakustik beschäftigt sich das Labor kurz zusammengefasst mit folgenden Themen:

    • Bestimmung der Geräuschcharakteristik von Gesamt- und Teilsystemen
    • Akustische Optimierung von Gesamt- und Teilsystemen
    • Entwicklung von Prüfabläufen für Gesamt- und Teilsysteme
    • Entwicklung von Akustik-Prüfständen für Gesamt- und Teilsysteme

  • Foto eines Kunstkopfes in einem reflexionsarmen Raum
    Kunstkopf im reflexionsarmen Raum. Foto: OTH Regensburg / Anna Rieger

    Psychoakustik – Wie wir Geräusche wirklich wahrnehmen

    Warum empfinden wir eine Beethoven-Symphonie anders als das Geräusch eines Presslufthammers, selbst wenn beide ein ähnliches Frequenzspektrum aufweisen?

    Die Antwort liegt in der Psychoakustik – der Wissenschaft, die sich mit der Verbindung zwischen physikalischer Schallmessung und menschlicher Wahrnehmung beschäftigt.

    Was ist Psychoakustik?

    Psychoakustik untersucht, wie unser Hörsystem Geräusche wahrnimmt. Dabei geht es nicht nur um messbare Größen wie dem Schalldruckpegel, sondern auch um subjektive Empfindungen wie Lautheit oder Angenehmheit. Unser Gehör nimmt z.B. unterschiedliche Frequenzen bei gleichem Schalldruckpegel unterschiedlich laut wahr – ein Effekt, der durch die Struktur und Funktionsweise des menschlichen Hörsystems entsteht.

    Einsatzgebiete der Psychoakustik

    Psychoakustik ist ein zentraler Bestandteil der NVH (Noise, Vibration, Harshness)-Entwicklung im Automobilbereich und allgemein im Produktdesign. Das Produktgeräusch ist ein wesentliches Qualitätsmerkmal, das Kundenwahrnehmung und Produktbewertung beeinflusst. Entwicklungsingenieure nutzen psychoakustische Analysemodelle, die als digitale Zwillinge der menschlichen Hörwahrnehmung und somit als Werkzeug dienen, um Geräuscheigenschaften gezielt zu optimieren.

    Wie funktionieren psychoakustische Analysemodelle?

    Diese Modelle werden durch Hörversuche mit Testpersonen und unter dem Einsatz von psychophysikalischen Methoden entwickelt und simulieren die Funktion des menschlichen Gehörs. Mithilfe digitaler Signalverarbeitung entstehen Metriken wie Lautheit oder Angenehmheit, die zur Optimierung eines (technischen) Produktes genutzt werden.

    Forschung an der OTH Regensburg

    An der OTH Regensburg wird erforscht, wie alternative Antriebsformen – insbesondere elektrische und hybride Antriebe – akustisch wahrgenommen werden. Das Ziel: Die empfundene Geräuschqualität durch digitale Werkzeuge und spezifische Analyseparameter zu optimieren.

    Forschungsschwerpunkte:

    • Grundlagenforschung zu Hörmechanismen
    • Hörversuche zur quantitativen Beschreibung subjektiver Klangwahrnehmung
    • Entwicklung psychoakustischer Analyseverfahren für das Sound-Design
    • Psychoakustische Analyse von Gesamt- und Teilsystemen

  • In situ / on-Board Diagnosesysteme werden branchenübergreifend zur Überwachung des Zustandes eines Systems oder des Schädigungs- bzw. Gesundheitszustandes eingesetzt. Neben optischen Verfahren werden dabei auch sogenannte „Acoustic Emission“-Systeme eingesetzt. Dabei werden Systeme über Veränderungen in ihrem Vibrationsspektrum überwacht.

    Im Automotive-Sektor stellt die zunehmende Elektrifizierung in Fahrzeugen, die software-geführte Steuerung und Regelung sowie die steigende Komplexität der Antriebssysteme hohe Anforderungen an die Diagnose und Überwachung im Fahrbetrieb.

    Als Beispiel werden durch die Verschärfung der Abgasnorm moderne Fahrzeuge mit Ottomotor mit einem Benzinpartikelfilter ausgestattet. Zur Überwachung dieses abgasrelevanten Bauteils fordert der Gesetzgeber und Hersteller eine zuverlässige On-Board-Diagnose. Aktuell existiert jedoch kein Diagnose- und Überwachungsverfahren, das alle Anforderungen erfüllt. Deshalb muss eine Methodik entwickelt werden, die alle relevanten Betriebszustände (Ruß- und Aschebeladung, Schadens- und Präsenzkontrolle) zuverlässig erfasst und bewertet. Das ermöglicht ein integriertes Lebensdauermanagement (Predictive Maintenance) und somit die Erhöhung der wahrgenommen Produkt- und Servicequalität.

    Zur Umsetzung einen solchen Systems können Beschleunigungsaufnehmer mit hoher Bandbreite eingesetzt werden. Durch signifikante Unterschiede im Spektrum können die Zustandsänderungen detektiert werden.

    Im Bereich Condition Monitoring beschäftigt sich das Labor kurz zusammengefasst mit folgenden Themen:

    • Messtechnisches Setup zur Erfassung der relevanten Vibrationsspektren
    • Messung und Analyse der Vibrationsspektren
    • Entwicklung geeigneter Diagnoseverfahren und Charakterisierung verschiedener Zustände