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Dr. Christof Schulz mit dem 1. Preis des BMW Scientific Award ausgezeichnet

15.07.1999 - (idw) Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

Heidelberger Physikochemiker Dr. Schulz erhielt den mit 40 000 Mark höchst dotierten Preis der deutschen Industrie für Hochschulabsolventen - Durch seine Grundlagenforschung wurde eine wichtige Voraussetzung zur Entwicklung extrem emissionsarmer Motoren geschaffen

1. Preis Dissertationen BMW Scientific Award '99

Preisträger: Dr. Christof Schulz
Professor: Prof. Dr. Jürgen Wolfrum, Universität Heidelberg, Physikalisch-Chemisches Institut
Hochschule: Universität Heidelberg

"Entwicklung und Anwendung eines laserinduzierten Fluoreszenzverfahrens zur quantitativen Bestirnrnung momentaner Stickoxidverteilungen in Verbrennungsmotoren"
Stickoxid (NO) gilt als ein kritischer Bestandteil der Emissionen von Verbrennungsmotoren. Gerade vor dem Hintergrund der konstanten Zunahme des Automobilverkehrs stellt Stickoxid ein wachsendes Problem für die Luftqualität dar. Schon heute geht mehr als die Hälfte der Stickoxid-Produktion auf anthropogene Quellen zurück, in urbanen Gebieten liegt dieser Anteil noch deutlich höher.
Bisherige Konzepte zur Minderung des Schadstoffausstoßes beruhen in erster Linie auf Abgasreinigungsverfahren. Weitaus effektiver sind primäre Maßnahmen, die durch eine Optimierung der Prozesse in Verbrennungsmotoren schon die Bildung von Emissionen unterdrücken.
Wer hierfür Modelle und Lösungen entwickeln will, muß wissen, was im Verbrennungsmotor vor sich geht. Dazu ist der direkte Einblick in die "Black Box" erforderlich, ohne daß die dabei im Zylinder ablaufenden komplexen Vorgänge beeinflußt und so Ergebnisse verfälscht würden. Dieses Ziel wird durch Einsatz optischer Verfahren erreicht, bei denen mit Hilfe laserspektroskopischer Verfahren Informationen über Stickoxid-Konzentrationen und Temperaturen während des Verbrennungsvorgangs gewonnen werden.
Dr. Schulz hat ein Verfahren entwickelt, das die zweidimensionale Abbildung von Stickoxid- Konzentrationsverteilungen auf der Basis laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) im Motor erlaubt. Mit dem von ihm entwickelten NO-Detektionsschema - das hier erstmals zum Einsatz kam - lassen sich zweidimensionale Messungen der NO-Konzentrationsverteilung im Ottomotor unter Bedingungen durchführen, unter denen Messungen mit anderen, herkömmlichen Verfahren von der Absorption des Laserstrahls maßgeblich beeinträchtigt würden.
Das von Dr. Schulz entwickelte Verfahren liefert störungsfreie und unbeeinträchtigte Messungen, die eine optimale Grundlage zur Abbildung des Verbrennungsvorganges bilden. Damit ist ein entscheidender Schritt in Richtung der quantitativen Anwendbarkeit der LIF-Messung von Stickoxid in realen Motoren gelungen.
So können grundlegende Versuche an Ottomotoren durchgeführt werden, deren Ergebnisse direkt in der Motorenentwicklung eingesetzt werden können. Mit seiner Arbeit liefert Dr. Schulz einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung von Simulationsmodellen und somit zur Entwicklung von Motoren, die noch weniger Emissionen erzeugen.

Motivation zur Teilnahme
"Die diesjährige Zielsetzung des BMVV Scientific Award paßt ideal zur Ausrichtung meines Arbeitsgebietes. Dieses zielt - sowohl in meiner Dissertation als auch in den wissenschaftlichen Arbeiten meiner Arbeitsgruppe, die ich seit zwei Jahren leite - auf die Entwicklung von diagnostischen Verfahren, die die Optimierung von Verbrennungsprozessen ermöglicht. Dieses Themengebiet führt zur intensiven Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie, was mich insbesondere ermutigte, an einem von der Automobilindustrie ausgeschriebenen Forschungswettbewerb teilzunehmen. Eine Auszeichnung innerhalb eines solchen Wettbewerbs wird (hoffentlich) eine Grundlage für eine weitere erfolgreiche Zusammenarbeit von Universität und Industrie darstellen können.
Universitäre Forschung erlaubt ein grundlagenorientierteres Arbeiten als Forschung in der Industrie. Gerade deswegen ist es eine besondere Auszeichnung, wenn die Arbeiten von Seiten der Industrie als relevant und wichtig beurteilt werden. Dies stellt daher einen besonderen Anreiz dar, die wissenschaftliche Arbeit aus dem Blickwinkel der Industrie beurteilen zu lassen."
(Dr. Christof Schulz)

Laudatio
Herrn Schulz ist es gelungen, ein quantitatives laserspektroskopisches Verfahren zum in-situ Nachweis der Stickoxidbildung während der motorischen Verbrennung unter realitätsnahen Bedingungen zu entwickeln und anzuwenden. Hauptprobleme bei dem Einsatz spektroskopischer Verfahren zur Diagnostik der motorischen Verbrennung sind die in diesen Prozessen auftretenden hohen Drücke und Temperaturen, die kurzen Verweilzeiten und die spektroskopischen Interferenzen durch eine große Zahl chemischer Spezies insbesondere bei dem Einsatz realer Otto- und Diesel-Kraftstoffe.
Durch das von ihm entwickelte spektroskopische Verfahren kann die Stickoxidbildung direkt im Verbrennungsmotor sehr detailliert mehrdimensional quantitativ dargestellt werden. Durch gleichzeitige Bestimmung der lokalen Temperaturfelder in Einzelpulsuntersuchungen konnte Herr Schulz dokumentieren, daß die Temperaturen nach der Flammenfront relativ schnell einen homogenen Wert erreichen, während die NO-Konzentrationsverteilungen innere Strukturen und Inhomogenitäten zeigen, deren Analoga in der Temperaturverteilung fehlen. Aufgrund der stark nichtlinearen Bildung des Stickoxids nach dem Zeldovich-Mechanismus können so Zonen, die im Verlauf der Flammenausbreitung kurzzeitig überdurchschnittlich heiß waren, wesentlich zur verstärkten Stickoxidbildung beitragen. Durch eine detaillierte mathematische Modellierung und sorgfältige Kontrolle der Strömungs- und Verbrennungsbedingungen im Motor sollte eine weitere Homogenisierung der Temperaturverteilungen und damit eine wesentliche Reduktion der primären NO-Bildung möglich sein. Ein weiterer Weg ist die Reduktion von Stickoxiden in der Flammenfront durch Rückführung der Stickoxide aus dem Abgas in den Verbrennungsraum.
Es ist zu erwarten, daß die Arbeit von Herrn Schulz wesentlich dazu beitragen wird, die Ursachen der Stickoxidentstehung im Motor besser zu verstehen und damit neue Wege zur Vermeidung primärer Schadstoffbildung während der Verbrennung aufzuzeigen.
(Prof. Dr. Jürgen Wolfrum)

Lebenslauf Dr. Christof Schulz

1967 Geboren in Karlsruhe
1977 - 1986 Gymnasium Karlsbad-Langensteinbach (Abschluß: Abitur)
1986 - 1988 Zivildienst, Krankenpflege, Karlsbad-Langensteinbach
1988 - 1994 Studium am Institut für physikalische Chemie und Elektrochemie der
Universität Karlsruhe; Diplomarbeit: Laserdesorptions-Flugzeit-Massenspektrometrie an Cluster-Verbindungen"
Juli - Sept. 1994 Wissenschaftliche Hilfskraft an der Universität Heidelberg

1994 - 1997 Wissenschaftlicher Angestellter am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg (Teilzeit)
1997 Promotion am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg
Seit Juni 1997 Wissenschaftlicher Angestellter am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg (Vollzeit), Arbeitsgruppenleiter

Rückfragen bitte an:
Prof. Dr. Jürgen Wolfrum, Dr. Christof Schulz
Universität Heidelberg, Physikalisch-Chem. Institut
Im Neuenheimer Feld 253, 69120 Heidelberg
Tel. 06221 548463, 548462, Fax 544255
wolfrum@sun0.urz.uni-heidelberg.de
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