Forschung
Emission/Schadstoffe (Klima/Luft)
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)
Bildquelle: iStock | Canetti
Motoren mit Benzindirekteinspritzung bereiten das Luft-Kraftstoff-Gemisch direkt im Brennraum auf. Durch das offene Einlassventil strömt im Ansaugtrakt nur noch Frischluft. Der Kraftstoff wird mit Hochdruckeinspritzventilen direkt in den Brennraum eingespritzt. Dadurch wird der Brennraum gekühlt und die Grundverdichtung kann höher werden, da die Klopfneigung sinkt.
Bildquelle: Robert Bosch | 1-GS-19437
Partikelzusammensetzung im Abgas (Quelle: Schmid, P., Untersuchung der gravimetrischen Messtechnik im Hinblick auf zukünftige Abgasgrenzwerte (Dissertation), Technische Hochschule, Darmstadt, 1998).
Bildquelle: TU Darmstadt
Eine grundlegende Rolle bei der Suche nach den besten Leistungen wird von der Form des Sprays bestimmt, das sich in der Brennkammer entwickelt. In der Grafik wird das Spray-Targeting der drei verwendeten Mehrlochinjektoren gegenübergestellt.
Bildquelle: IVKM | KIT
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.
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.
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.
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
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
Fördergeber
Projektkoordination
Dr.-techn. Herwig Richter | I
Dr.-Ing. h. c. F. Porsche AG
Dr.-Ing. Daniel Sabathil | II+III
Opel Automobile GmbH
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
Forschungsstellen
Weiterführende Literatur
Forschungsbereich
Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345