Untersuchungen zur Bildung, Oxidation und Emission von Ruß in Motoren mit Direkteinspritzung
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- Frieda Kaufman
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1 Jahrestreffen der Fachausschüsse Biokraftstoffe, Gasreinigung und Partikelmesstechnik M. Roßbach, R. Suntz, H. Bockhorn Institut für Technische Chemie, Universität Karlsruhe (TH) M. Stumpf, K. Yeom, A. Velji, U. Spicher Institut für Kolbenmaschinen, Universität Karlsruhe (TH) Untersuchungen zur Bildung, Oxidation und Emission von Ruß in Motoren mit Direkteinspritzung 1 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009 M. Stumpf, K. Yeom, A. Velji, IFKM
2 Inhalt Motivation Untersuchungen an einem Einzylinder-Common-Rail Dieselmotor Prüfstandsschema Probennahme SMPS Messtechnik Ergebnisse Untersuchungen an einem Einhubtriebwerk Versuchsaufbau RAYLIX-Messtechnik Ergebnisse Untersuchungen an einem Einzylinder-Ottomotor mit Direkteinspritzung Versuchsaufbau Ergebnisse Schlussfolgerungen 2 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
3 Motivation Rußemission von Diesel Motoren: Im DI Diesel Motor wird ~ % des Brennstoffs in Ruß konvertiert Davon werden ~ 1 5 emittiert EU Emissionsstandards für Diesel PKW: Standard Inkrafttreten Partikel (mg/km) EURO EURO EURO EURO EURO Heutiger Diesel Motor emittiert 10% der Rußmenge von der vor 10 Jahren. Gesundheitsschädigende Wirkung erhöht durch kleinere Partikel? 3 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
4 Einzylinder Common-Rail Dieselmotor - Prüfstandsschema SMPS Messung Gas aus 1-Zylinder-Dieselmotor V Hub : 1827 cm 3 ε : 17,6:1 2 Farben Methode 1-Zyl. Dieselmotor Smoke Meter Lader Gas aus Opazimeter Wirbelstrombremse Abgas Abgasmessanlage NO X CO CO 2 THC O 2 Asynchronmaschine Ansaugluft Messtechnik Zwei-Farben-Methode KW aufgelöster f V im Brennraum AVL Smoke Meter 415S Filter Smoke Number (FSN) im Abgas SMPS P(r) im Abgas 4 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
5 SMPS - Scanning Mobility Particle Sizer CPC 3025 SMPS DMA 3071 CPC 3010 Abgas- Probenstrom p2 = p atm Verdünnungsluft (T Abgas ) Kapillare SMPS bei p atm DMA: Differential Mobility Analyser klassiert die Partikel CDC: Condensation Particle Counter ermittelt Partikelanzahl 5 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009 Verdünnungsluft warm Verdünnungsluft kalt Abgas p1 > p2
6 Einzylinder Common-Rail Dieselmotor - Rußemission IMEP (Indicated Mean effective Pressure) = Motor- Last n = /min (Leerlauf 640 1/min, Max /min) Variation p inj : 480 bar (wenn 720 bar möglich) 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar dn/dlog Dp [cm -3 ] dn/dlog Dp [cm -3 ] dn/dlog Dp [cm -3 ] M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März bar 720 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar Partikeldurchmesser [nm] IMEP 720 bar 960 bar bar bar 1440 bar bar Partikeldurchmesser [nm] IMEP 4 bar IMEP 12 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar Partikeldurchmesser [nm] dn/dlog Dp [cm -3 ] dn/dlog Dp [cm -3 ] bar 720 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar Partikeldurchmesser [nm] 720 bar 960 bar 1200 bar 1440 bar 1680 bar Partikeldurchmesser [nm] 1.2 FSN [-] IMEP 6 bar IMEP 10 bar FSN Last 4 bar Last 6 bar Last 8 bar Last 10 bar Last 12 bar Einspritzdruck [bar]
7 Einzylinder Common-Rail Dieselmotor - Rußbildung und Oxidation Ruß [g/m 3] Ruß [g/m 3] Kurbelwinkel [ KW] bar 1440 bar 720 bar 960 bar 1200 bar 960 bar Kurbelwinkel [ KW] Last: IMEP 8 bar /min 1680 bar 1440 bar Last: 1200 bar IMEP 12 bar /min SMPS Messungen im Abgas: steigender Einspritzdruck keine Verschiebung zu kleineren Rußagglomeraten Partikelanzahl nimmt ab Zwei- Farben- Methode im Brennraum: steigender Einspritzdruck kürzere Brenndauer vollständigere Oxidation des Rußes Verlauf korreliert mit Ergebnissen aus FSN- und Partikelanzahl- Messungen Aber Primärpartikel? 7 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
8 Einhubtriebwerk - Versuchsaufbau ε nur 8,7:1 (mech. Limit) niedrige Endtemperatur Ar/O 2 Gemisch statt Luft V Hub : 1454 cm 3 Hub x Bohrung: 185 x 100 mm Fenster für Laser Ein- / Austritt Kolben Treibkammer Zentrierschlitten Diesel Zylinderkopf Quarzglasfenster Treibgas Ein- / Austritt Kniehebelgelenke 8 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
9 RAYLIX Technik - Aufbau RAYLIX: 2D-Rayleigh-Streuung 2D-Laser-Induzierte Inkandeszenz Integrale Extinktion Annahme P(r): Lognormale Größenverteilung 9 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
10 Einhubtriebwerk - Rußbildung und Oxidation P inj = 200 bar T inj = 1,8 ms f V m 3 /m 3 r m m N V Zyklische Schwankungen sehr groß Vorteil EHT: optische Zugänglichkeit Rußvolumenbruch f V mittlerer Partikelradius r m Teilchenzahldichte N V 10 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
11 Einhubtriebwerk - Rußbildung und Oxidation P inj = 400 bar T inj = 0,9 ms f V 0-1, m 3 /m 3 r m m N V Rußvolumenbruch f V mittlerer Partikelradius r m Teilchenzahldichte N V mittlere Rußkonzentration [g/m 3 ] RAYLIX 2FM Einspritzdruck [bar] 11 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
12 Einzylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung - Versuchsaufbau Einzylinder Forschungsaggregat V Hub : 652 cm 3 Hub x Bohrung: 83 x 100 mm ε = 11,5:1 Ventile: 2 EV, 1 AV Strahlgeführtes Brennverfahren Zentrale Injektorlage Glasring ab 30 KW nach OT (oberer Totpunkt) freigegeben Laserband deckt offenen Bereich bis 66 KW nach OT vollständig ab 12 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
13 Einzylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung - Rußbildung und Oxidation 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 Rußvolumenbruch f V mittlerer Partikelradius r m Teilchenzahldichte N V 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 13 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
14 Einzylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung - Rußbildung und Oxidation Rußvolumenbruch f V mittlerer Partikelradius r m Teilchenzahldichte N V Spätere Einspritzung / Zündung spätere Rußentwicklung unvollständigere Oxidation 14 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
15 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
16 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 16 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009
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