Physikalische und chemische Eigenschaften von Verbrennungsaerosolen

A. Petzold 1, M. Fiebig 1, C. Stein 1, L. Fritzsche 1

R. Hitzenberger 2, M. Gysel 3, S. Nyeki 3, and C. Wilson 4

1 Institut für Physik der Atmosphäre, DLR Oberpfaffenhofen, D2 Institut für Experimentalphysik, Universität Wien, A3 Labor für Atmosphärenchemie, Paul Scherrer Institut, Villigen, CH4 QinetiQ, Centre for Aerospace Technology, Farnborough, UK

Institut für Physik derAtmosphäre

Institut für Physik der Atmosphäre, DLR Oberpfaffenhofen Phone: 08153 / 28-2592 E-mail: andreas.petzold@dlr.de WWW: http://www.op.dlr.de/ipa/

Beispiel: Schadstoffbildung in der Brennkammer Sekundäraerosol und Mischungszustand

Aerosole im Verbrennungsabgas

Primäres Verbrennungsaerosol entsteht bei einer unvollständigen Verbrennung aus organischem undelementaren Kohlenstoff, ist bis zu T = 350°C thermisch stabil.

TC = 70% EC + 30% OC

Flüchtiges Sekundäraerosol

bildet sich im abkühlenden Abgas hinterder Brennkammer aus gasförmigen Vor-läufersubstanzen, verdampft bei 125°C.

H2SO4 / H2O + CnHmOx

Wolkenkondensationskeime

Treibstoff

CnHm + S

H2OCO2

NOx

SO2

CO

UHC

Partikel

Luft

N2 + O2

Verbrennungsprodukte im Abgas

Intern gemischtes Verbrennungsaerosol, bestehend aus beschichteten Kohlenstoff-partikeln und flüchtigen Sekundärpartikeln.

Partikelgrößenverteilun

g

primäre Kohlenstoffpartikel sind überwiegend > 10 nm;

sekundäre HsSO4 / H2O - Partikel sind deutlich kleiner als 10 nm;

die primäre und die sekundäre Aerosolmode liegen in getrenn-ten Größenbereichen vor.

1 10 100103

104

105

106

107

108

secondaryvolatile aerosol

primarycarbonaceousaerosol

dN

/ d

log

D, c

m -

3

particle diameter, nm

Messinstrumentarium

Mehrkanal - Kondensationskernzähler Partikelanzahl (Eigenentwicklung) Größenverteilung

Differential Mobility Analyser (DMA) Größenverteilung+ Thermodenuder Aerosoltyp (fest/flüchtig) (Eigenentwicklung) Mischung (intern/extern)Aerosol - AbsorptionsphotometerMassenkonzentration des (Eigenentwicklung) schwarzen KohlenstoffsOptische Partikelspektrometer GrößenverteilungTandem - DMA flüchtige Partikel- (im Aufbau, Kooperation mit PSI) komponenteWolkenkondensationskernzähler Anzahl der zu Wolken- (Kooperation mit Uni Wien) keimen aktivierbaren

Partikel

Aerosolpartikel können bei hoher Luftfeuchtigkeit

durch Aufnahme von Wasser anwachsen;

in wasserübersättigter Luft bilden Partikel

oberhalb des Aktivierungsdurchmessers Tropfen;

der Aktivierungsdurchmesser hängt von der chemischen Zusammensetzung der Partikel ab;

Aktivierbarkeit von realen Verbrennungsaerosolen:

besser als reine Graphitpartikel; schlechter als H2SO4 / H2O Partikel; schlechter als mit H2SO4

beschich- tete Kohlenstoffpartikel;

Aktivierungsdurchmesser für typische Wolkenübersättigungen < 1% liegt bei D 100 nm.

3

1

2

1

2

3

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00.88

0.90

0.92

0.94

0.96

0.98

1.00

N p

rimar

y /

N to

tal

N secondary

/ N total

D = 15 nm D > 20 nm

Die Nukleation volatiler Sekundär-partikel aus gasförmigen Vorläufern erfolgt im abkühlenden Abgas mit hoher zeitlicher Variabilität;

Bildung von Sekundärpartikeln ist un-abhängig vom Verbrennungsprozess, hängt aber von der Probenahme ab;

auch im Falle der Bildung volatiler Sekundärpartikel bleibt das Primär-aerosol intern gemischt, das volatile Sekundäraerosol wächst nicht in den Größenbereich des Primäraerosols ;

Sekundärpartikel bleiben unter der Schwelle der Aktivierbarkeit.

54500 55000 55500 56000 565000

5

10

15

20

25

30

D = 4 - 9 nm D = 10 - 20 nm D = 21 - 250 nm

num

ber

cocn

entr

atio

n , 1

0 5 cm

-3

UTC , s

Emissionsindices (pro kg Kerosin)

0.04 g

0.01-0.1 g

1.25 kg 3.15 kg 14 g

12-16 g

0.8 g

0.6 -1 g

4 g

0.2-6 g

0.6 g

0.2-3 g

1

Dvolatile

cloud drop

carbonaceous particle

cloud supersaturation

Dcoated

Dcarbonaceous

wat

er v

apou

r sa

tura

tion

ratio

drop diameter D

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

carbonaceous particles H

2SO

4 particles

coated carbonaceous particles measured data

highmediumFuel sulphur low

activ

atio

n di

amet

er ,

nm