Untersuchungen zur Bildung, Oxidation und Emission von Ruß in€¦ · 1 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009 M. Stumpf, K. Yeom, A. Velji, IFKM KIT – die Kooperation von Forschungszentrum

1 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A. Velji, IFKM

KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)

Untersuchungen zur Bildung, Oxidation und Emission von Ruß in

Motoren mit Direkteinspritzung

Jahrestreffen der Fachausschüsse Biokraftstoffe, Gasreinigung und Partikelmesstechnik

M. Roßbach, R. Suntz, H. BockhornInstitut für Technische Chemie, Universität Karlsruhe (TH)

M. Stumpf, K. Yeom, A. Velji, U. SpicherInstitut für Kolbenmaschinen, Universität Karlsruhe (TH)


2 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM

InhaltMotivation

Untersuchungen an einem Einzylinder-Common-Rail DieselmotorPrüfstandsschemaProbennahme SMPS MesstechnikErgebnisse

Untersuchungen an einem EinhubtriebwerkVersuchsaufbauRAYLIX-MesstechnikErgebnisse

Untersuchungen an einem Einzylinder-Ottomotor mit DirekteinspritzungVersuchsaufbauErgebnisse

Schlussfolgerungen



Motivation

EU‐Emissionsstandards für Diesel PKW:

Standard Inkrafttreten Partikel (mg/km)EURO 1 1.1.1993 180EURO 2 1.1.1996 80EURO 3 1.1.2000 50EURO 4 1.1.2005 25EURO 5 1.9.2009 5

Heutiger Diesel‐Motor emittiert 10% der Rußmenge von der vor 10 Jahren.Gesundheitsschädigende Wirkung erhöht durch kleinere Partikel ?

Rußemission von Diesel‐Motoren:Im DI‐Diesel‐Motor wird ~ 10 – 20 % des Brennstoffs in Ruß konvertiert

Davon werden ~ 1 – 5 ‰emittiert



Einzylinder Common-Rail Dieselmotor -Prüfstandsschema

Asynchronmaschine

Smoke Meter Opazimeter

Abgasmess-anlage

NOXCOCO2THC O2

Abgas

Wirbelstrombremse

Ansaugluft

Lader

1-Zyl.Diesel-motor

2 FarbenMethode

Gasaus

Gasaus

SMPSMessung

1-Zylinder-DieselmotorVHub : 1827 cm3

ε : 17,6:1

Messtechnik

Zwei-Farben-MethodeKW aufgelöster fV im Brennraum

AVL Smoke Meter 415SFilter Smoke Number (FSN) im Abgas

SMPSP(r) im Abgas



SMPS - Scanning Mobility Particle Sizer

Abgas

Kapillare

Verdünnungsluftkalt

Verdünnungsluftwarm

p1 > p2

DMA3071

CPC3010

SMPS

p2 = patm

Abgas- Probenstrom

Verdünnungsluft (TAbgas)

SMPS bei patm

DMA: Differential MobilityAnalyser

klassiert die Partikel

CDC: CondensationParticle Counter

ermittelt Partikelanzahl

CPC3025



Einzylinder Common-Rail Dieselmotor - Rußemission

dN/d

log

Dp

[cm

-3]

0.0·1002.0·1064.0·1066.0·1068.0·1061.0·1071.2·1071.4·1071.6·1071.8·1072.0·107

Partikeldurchmesser [nm]10 100 1000

480 bar 720 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar

dN/d

log

Dp

[cm

-3]

0·1002·1064·1066·1068·1061·1071·1071·1072·1072·107


480 bar 720 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar

dN/d

log

Dp

[cm

-3]

0·100

5·105

1·106

2·106

2·106

3·106

3·106


720 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar

dN/d

log

Dp

[cm

-3]

0.0·100

5.0·105

1.0·106

1.5·106

2.0·106

2.5·106

3.0·106

3.5·106

4.0·106


720 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar

dN/d

log

Dp

[cm

-3]

0.0·100

2.0·105

4.0·105

6.0·105

8.0·105

1.0·106

1.2·106

1.4·106


960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar

FSN

[-]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Einspritzdruck [bar]480 720 960 1200 1440 1680

Last 4 bar Last 6 bar Last 8 bar Last 10 bar Last 12 bar

IMEP4 bar

IMEP6 bar

IMEP8 bar

IMEP10 bar

IMEP12 bar

FSN

IMEP (IndicatedMean effectivePressure)= Motor- Last

n = 1175 1/min(Leerlauf 640 1/min,Max. 2000 1/min)

Variation pinj:480 bar (wenn720 bar möglich) 960 bar1200 bar1440 bar1680 bar



Einzylinder Common-Rail Dieselmotor -Rußbildung und Oxidation

SMPS Messungen im Abgas: steigender Einspritzdruck

keine Verschiebung zu kleineren RußagglomeratenPartikelanzahl nimmt ab

Zwei- Farben- Methode im Brennraum: steigender Einspritzdruck

kürzere Brenndauervollständigere Oxidation des Rußes

Verlauf korreliert mit Ergebnissen aus FSN- und Partikelanzahl- Messungen

Aber Primärpartikel?

Ruß

[g/m

°3]

0

1

2

3

4

Kurbelwinkel [°KW]360 370 380 390 400

960 bar

1200 bar

1440 bar1680 bar

720 bar

Ruß

[g/m

°3]

0

1

2

3

4

Kurbelwinkel [°KW]360 370 380 390 400 410

960 bar

1200 bar1440 bar1680 bar Last:

IMEP 12 bar

1175 1/min

Last:IMEP 8 bar

1175 1/min



Einhubtriebwerk - Versuchsaufbau

QuarzglasfensterZylinderkopf

Fenster für LaserEin- / Austritt

Kolben

TreibgasEin- / Austritt

Kniehebelgelenke

Treibkammer

ZentrierschlittenDiesel

ε „nur“ 8,7:1 (mech. Limit)

niedrigeEndtemperatur

Ar/O2 Gemischstatt Luft

VHub: 1454 cm3

Hub x Bohrung: 185 x 100 mm



RAYLIX Technik - Aufbau

RAYLIX:2D-Rayleigh-Streuung2D-Laser-Induzierte InkandeszenzIntegrale Extinktion

Annahme P(r):Lognormale Größenverteilung



Einhubtriebwerk - Rußbildung und OxidationPinj = 200 barTinj = 1,8 ms

fV 0 - 15 · 10-5 m3/m3

rm 4 - 14 · 10-9 mNV 0 - 30 · 1019

Zyklische Schwan-kungen sehr groß

Vorteil EHT:optische Zugäng-lichkeit

RußvolumenbruchfV

mittlerer Partikelradius

rm

TeilchenzahldichteNV



Einhubtriebwerk - Rußbildung und OxidationPinj = 400 barTinj = 0,9 ms

fV 0 - 1,7 · 10-5 m3/m3

rm 4 - 14 · 10-9 mNV 0 - 3 · 1019

RußvolumenbruchfV

mittlerer Partikelradius

rm


mitt

lere

Ruß

konz

entra

tion

[g/m

3 ]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Einspritzdruck [bar]

RAYLIX

200 400

2FM



Einzylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung -Versuchsaufbau

Einzylinder ForschungsaggregatVHub: 652 cm3

Hub x Bohrung: 83 x 100 mmε = 11,5:1Ventile: 2 EV, 1 AV

Strahlgeführtes BrennverfahrenZentrale Injektorlage

Glasring ab 30° KW nach OT (oberer Totpunkt) freigegebenLaserband deckt „offenen“ Bereich bis 66° KW nach OT vollständig ab



Einzylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung -Rußbildung und Oxidation

• Schwankungen im Flammenbild sehr groß• Poolfire (flüssiger, auf dem Kolben brennender Kraftstoff) unter allen, inklusiv den

homogenen Bedingungen• Ex. 29: Gute Oxidation des entstehenden Rußes Ruß lokalisiert in den Poolfires• Ex. 46: Schlechte Oxidation des entstehenden Rußes Ruß auch weiter über dem Kolben

Ex. 29,60° KW nach OT

Einspritzbeginn:32° KW vor OT

Zündung:12° KW vor OT

Ex. 46,60° KW nach OT

Einspritzbeginn:24° KW vor OT

Zündung:8° KW vor OT

RußvolumenbruchfV

mittlerer Partikelradiusrm




Einzylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung -Rußbildung und Oxidation

RußvolumenbruchfV

mittlerer Partikelradiusrm


Spätere Einspritzung / Zündung spätere Rußentwicklung unvollständigere Oxidation


Schlussfolgerungen

• Verschiebung der Partikelgröße (Agglomerate & Primärpartikel) mit zunehmendem Einspritzdruck wurde nicht beobachtet

• Partikelanzahl nimmt mit zunehmendem Einspritzdruck ab

• Höherer Einspritzdruck kürzere Brenndauer höhere Temperaturen / Spitzendrücke vollständigere Rußoxidation

• Zyklische Schwankungen sind sehr groß– Besonders bei kaltem EHT / Motor

• Poolfire in Otto-DI-Motoren wurde beobachtet– Eine Hauptquelle für Rußbildung



Danksagung

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit

Diese gemeinsame Forschungsarbeit des Instituts für Technische Chemie und des Instituts für Kolbenmaschinen der Universität Karlsruhe (TH) wurde finanziert von der

DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft)Sonderforschungsbereich 606:

Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktionen, Technische Systeme

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