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)
KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund 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
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3 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
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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
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5 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
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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
Partikeldurchmesser [nm]10 100 1000
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
Partikeldurchmesser [nm]10 100 1000
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
Partikeldurchmesser [nm]10 100 1000
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
Partikeldurchmesser [nm]10 100 1000
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
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7 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
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8 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
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9 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
RAYLIX Technik - Aufbau
RAYLIX:2D-Rayleigh-Streuung2D-Laser-Induzierte InkandeszenzIntegrale Extinktion
Annahme P(r):Lognormale Größenverteilung
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10 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
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11 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
TeilchenzahldichteNV
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
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12 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
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13 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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
TeilchenzahldichteNV
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14 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
Einzylinder Ottomotor mit Direkteinspritzung -Rußbildung und Oxidation
RußvolumenbruchfV
mittlerer Partikelradiusrm
TeilchenzahldichteNV
Spätere Einspritzung / Zündung spätere Rußentwicklung unvollständigere Oxidation
KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)
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
KIT – die Kooperation vonForschungszentrum Karlsruhe GmbHund Universität Karlsruhe (TH)
16 M. Roßbach, R. Suntz, TCP 30. März 2009M. Stumpf, K. Yeom, A..Velji, IFKM
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