Forschung

Partikelemissionen von Ottomotoren

Aufgrund ihrer hohen Effizienz hat sich die Direkteinspritzung bei Ottomotoren als Technologie durchgesetzt. Im Vergleich zur äußeren Gemischbildung entstehen dabei jedoch gesundheitsschädigende Partikel. Das Projekt hat sich zum Ziel gesetzt, die Mechanismen der Partikelbildung zu analysieren, um im nächsten Schritt die Partikelemissionen reduzieren zu können. Hierfür haben die Projektpartner die Gemischbildung und die Verbrennung mithilfe optischer Messtechnik analysiert und sich anhand von elektronenmikroskopischen Untersuchungen Erkenntnisse über die Morphologie und die Zusammensetzung der Partikel erarbeitet. Dabei zeigte sich, dass die wesentliche Einflussgröße auf die Partikelentstehung die Gemischbildung ist, die sich aus Einspritzsystem, Ladungsbewegung und Einspritzstrategie zusammensetzt. Die Sauerstoffkonzentration und der Gastemperaturverlauf in der verbrannten Zone im Brennraum beeinflussen maßgeblich die Partikeloxidation. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die Weiterentwicklung von Emissionsminderungstechnologien.

» Die Untersuchungen geben uns Aufschluss über zentrale Einflussgrößen der Partikelbildung in direkteinspritzenden Ottomotoren. Nun wissen wir, an welchen Stellgrößen wir ansetzen müssen, um Partikelemissionen zu vermindern. «
Prof. Dr. sc. techn. Thomas Koch (IFKM | KIT Karlsruhe)

Motivation

Beim Ottomotor hat sich die Direkteinspritzung – die direkte Einbringung des Kraftstoffs in den Brennraum – verbunden mit einer Abgasturboaufladung als Schlüsseltechnologie durchgesetzt. Ein Nachteil im Vergleich zur äußeren Bildung des Kraftstoff-Luft-Gemischs besteht jedoch in einer Zunahme der Partikelemissionen im Abgas. Wegen ihrer geringen Größe können diese Partikel bis in die Lunge vordringen und auf diese Weise gesundheitsschädigend wirken. Ein umfassendes Verständnis der innermotorischen Ursachen für die Partikelbildung ist eine zentrale Voraussetzung, um Partikelemissionen vermeiden zu können.

Methodik

Mithilfe optischer Messmethoden wurden die Gemischbildung und die Verbrennung analysiert, die Partikelkonzentration und -größenverteilung im Abgas gemessen sowie der emittierte Ruß mithilfe der Elektronenmikroskopie hinsichtlich seiner Morphologie und chemischen Zusammensetzung untersucht. Als Versuchsträger dienten ein Einhubtriebwerk und ein Ein-Zylinder-Aggregat mit Direkteinspritzung und zentralem Injektorlager. Zu Beginn lag der Fokus der Untersuchungen darauf, den Einfluss verschiedener Gemischbilder zu überprüfen. Im Anschluss konnte durch Einschränkung der Injektorvielfalt der Einfluss verschiedener Parameter auf die Partikelemissionen herausgearbeitet werden.

Ergebnis

Die Gemischbildung als Summe aus Einspritzsystem, Ladungsbewegung und Einspritzstrategie hat den größten Einfluss auf die Partikelentstehung. Die Partikeloxidation wird maßgeblich durch die Sauerstoffkonzentration und den Gastemperaturverlauf in der verbrannten Zone im Brennraum bestimmt. Die Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass sowohl das Spray-Targeting – die optimale räumliche Ausbildung des Kraftstoffgemischs im Brennraum – als auch der Bauteilverschleiß die Ölkonzentration im Abgas und damit auch den Schmierölanteil der Partikel beeinflussen können. Weitere Untersuchungen bieten Potenziale, die Partikelmessung direkt im Abgasstrang vorzunehmen und die innermotorische Messwerterfassung weiterzuentwickeln.

Dokumentation

Partikel bei Otto-DI I | Untersuchung von Massnahmen zur Reduktion der Partikel-Anzahlemissionen bei Otto-DI-Motoren | Vorhaben-Nr. 1046

Partikel bei Otto-DI II | Untersuchungen zur Partikelbildung und -emission an PKW-Ottomotoren mit Benzin-Direkteinspritzung | Vorhaben-Nr. 1144

Partikel bei Otto-DI II | Untersuchungen zur Partikelbildung und -emission an PKW-Ottomotoren mit Benzin-Direkteinspritzung | Vorhaben-Nr. 1193

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentliche Förderung und Eigenmittel

Fördersumme
820.00,00 EUR

Laufzeit
01.08.2010 bis 31.07.2013 Teil I
01.07.2013 bis 30.06.2014 Teil II
01.06.2015 bis 31.03.2017 Teil III

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V.

Bayenthalgürtel 23
50968 Köln
Deutschland

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Deutschland

Industrie

Dr.-techn. Herwig Richter | I
Dr.-Ing. h. c. F. Porsche AG

Dr.-Ing. Daniel Sabathil | II+III
Opel Automobile GmbH

Forschungsstelle

Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) - Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher | I
Prof. Dr. sc. techn. Thomas Koch | I-III

Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. Markus Bertsch | II+III
Dipl.-Ing. Helge Dageförde | I
Denis Notheis, M. Sc. | III

Karlsruher Institut für Technologie

Institut für Technische Chemie und Polymerchemie

Engesserstr. 18 / 20
76131 Karlsruhe
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
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+49 (0) 69 6603 2349


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