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.

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

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