Entwicklung einer Wärmestromsensorik auf Basis der ALTP-Technik mit Zeitauflösung im Megahertzbereich

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In dieser Arbeit wird eine innovative Sensorik zur Messung von Wandwärmeströmen entwickelt, die auf der Atomic Layer Thermopile (ALTP) Technik basiert. Das Modul erfasst Wärmeströme mit einer Frequenzauflösung von über 1 MHz und ist für Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen geeignet, dank einer aktiven Kühlvorrichtung und einem gedichteten Gehäuse. Die Kalibrierung erfolgt in speziell entwickelten Prüfständen, wobei die ALTP-Sensorik in beiden Lastfällen innerhalb der Kalibriergenauigkeit liegt. Eine FE-Untersuchung zeigt, dass weder die zeitliche Konstanz noch die Temperaturverteilung der ALTP beeinträchtigt werden. Im Motorbetrieb wird deutlich, dass herkömmliche Mittelwertverfahren die vorteilhaften Signalmerkmale der ALTP hinsichtlich Zeit- und Spitzenwertauflösung stark einschränken. Gemessene Spitzenwerte erreichen über 1200 Wcm^2, und es konnte ein linearer Zusammenhang zwischen Motorleistung und Wandwärmestrom festgestellt werden. Der Vergleich mit Druckmessdaten zeigt signifikante Vorteile der ALTP-Sonde, insbesondere im Ladungswechselbereich und bei der Auflösung großer lokaler Signalgradienten während der Verbrennung. Eine neuartige Schaltungstechnik ermöglicht kombinierte Temperatur- und Wandwärmestrommessungen, wodurch Wärmeübergangskoeffizienten und lokale Nusseltzahlen direkt bestimmt werden können, ohne auf simulierte oder theoretische Annahmen angewiesen zu sein.