Emissions

Inhalt/Ziele:
Die Weiterentwicklung der Abgasnachbehandlungskomponenten für Kraftfahrzeuge ist ein entscheidender Bestandteil der Forschung zur Einhaltung zukünftiger Abgasnormen. Bei der dieselmotorischen Verbrennung stehen besonders die Emissionen von Stickoxiden (NOx) und Partikeln im Blickpunkt. Durch innermotorische Maßnahmen allein lassen sich die Abgasnormen nicht einhalten, weshalb eine zusätzliche Abgasnachbehandlung unumgänglich ist. Zur Abscheidung von Feinstaub aus dem Abgas haben sich Dieselpartikelfilter (DPF) als die zuverlässigste Variante erwiesen. Im Falle von Wandstromfiltern lagern sich Partikel in den porösen Wänden und an den Innenseiten der wabenförmigen Einlasskanäle an. Mit zunehmender Beladung erhöht sich der Abgasgegendruck, was sich negativ auf die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Daher ist es notwendig, den Filter nach Überschreiten einer gewissen Beladungsmenge zu regenerieren. Nicht-oxidierbare Bestandteile bleiben dabei als Asche im Partikelfilter und beeinflussen die Filterlebensdauer damit erheblich.In diesem Projekt werden die Einflüsse von unterschiedlichen Betriebsgrößen (z.B. Drücke, Temperaturen und unterschiedliche motorische Betriebsparameter) auf das Einlagerungsverhalten der Partikel im Filter untersucht. Dabei soll vor allem die Ruß- und Ascheverteilung im Filter, die Rußstruktur, die anorganischen Bestandteile und die Reaktivität analysiert werden. Die Ergebnisse tragen entscheidend dazu bei, die Entwicklung von Partikelfiltern mit optimierter Regenerationsstrategie und niedrigen Abgasgegendrücken voranzutreiben. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen von Personenkraftwagen vermindert werden können. Zudem bietet die Weiterentwicklung ein hohes Potential, um durch eine verlängerte Filterlebensdauer bei gleichzeitig erhöhter Effektivität in Zukunft Kosten und Material von Abgasnachbehandlungskomponenten einzusparen.Zum Erreichen dieser Ziele wird zunächst das Anströmverhalten vor dem Partikelfilter mittels Particle Image Velocimetry (PIV) am Motorprüfstand untersucht. Mit den Ergebnissen lassen sich erste Erkenntnisse zum Beladungs- und Regenerationsverhalten unter verschiedenen Randbedingungen gewinnen. Zudem werden in Langzeitversuchen Partikelfilter unter ausgewählten Betriebsbedingungen beladen. Mit einem Schnellveraschungssystem werden zudem real veraschte DPFs untersucht und dabei zeit- und kostenintensive Beladungsvorgänge am Prüfstand verkürzt. Die eingelagerte Ruß-/Aschemenge wird anschließend mit einer Vielzahl analytischer Messmethoden charakterisiert. Damit werden die Einflüsse unterschiedlicher motorischer Betriebsparameter auf das Partikel-Einlagerungsverhalten und die Ruß- und Aschecharakteristik quantifiziert. In weiteren Untersuchungen an einem Mini-CAST Rußgenerator wird die Vergleichbarkeit mit der realen Beladungsprozedur am Motorprüfstand geprüft.

Ergebnisse:
Mit der Weiterentwicklung von Dieselmotoren verändern sich die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel in ihrer Menge, Größe, Morphologie und chemischen Zusammensetzung. Jüngere Studien deuten darauf hin, dass die veränderten Eigenschaften der Rußpartikel eine erhöhte Gefährdung für Mensch und Umwelt nach sich ziehen können. Die Mehrzahl der bisherigen Forschungsarbeiten zielt auf das Verständnis der Rußentstehung im Motor, die innermotorische Verringerung der Rußemissionen, die Abgasnachbehandlung und im biowissenschaftlichen Forschungsumfeld auf die Auswirkungen verschiedener Ruße auf Umwelt und Gesundheit ab. 
In den ersten Projektjahren wurden erstmals für eine gezielte Auswahl an stationären motorischen, für Verbrennung und Rußbildung relevanten Parametern (Einspritz-, Ladeluftdruck) die Analysen der Gemischbildung, der Verbrennung und der physikochemischen Eigenschaften emittierter Rußpartikel miteinander verknüpft. 
Im Fortsetzungsvorhaben wurden die Untersuchungen von stationären Betriebspunkten auf transiente Betriebsszenarien erweitert, da der instationäre Betrieb im realen Straßenverkehr die weitaus wichtigere Rolle spielt. Zudem wurde der Fokus bei der Analyse der physikochemischen Eigenschaften vor allem auf die Reaktivität der abgeschiedenen Partikel und dessen Ursache gelegt, da bei heutigen Kraftfahrzeugen mit modernen Dieselmotoren Partikelfilter eingesetzt werden, um die strengen, gesetzlich vorgeschriebenen Partikelgrenzwerte einhalten zu können. Zudem sind die genauen Kenntnisse über den Einfluss von stationären und transienten Betriebsweisen auf die Reaktivität der eingelagerten Partikel sowie die Ursachen für die Reaktivitätsunterschiede bei der effizienten Regeneration von Dieselpartikelfiltern von entscheidender Bedeutung. 
Die Projektergebnisse zeigen, dass motorische Parameter, wie der Einspritzdruck und der Ladeluftdruck, einen starken Einfluss auf die physikochemischen Eigenschaften der emittierten Partikel im stationären Betrieb als auch im transienten Betrieb haben. Durch die Verknüpfung der Analysen von Gemischbildung, Verbrennung und emittierten Rußpartikel können Ursachen für diese veränderten physikochemischen Eigenschaften der Partikel aufgezeigt werden.

Ergebnisse:
Im Rahmen dieses Projektes wurden Untersuchungen zur Reaktivität verschiedener Ruße durchgeführt. 
Hierfür wurde der Einfluss verschiedener biogener Kraftstoffe bei unterschiedlichen Einspritz- und Ladeluftdrücken auf einzelne Teilprozesse der motorischen Wirkkette an einem optisch-zugänglichen Einzylinder-Dieselmotor betrachtet. Zudem wurde der Einfluss der unterschiedlichen Kraftstoffe und Motorparameter auf die Partikelgrößenklassenverteilung und -masse an einem Serienmotor untersucht.

Die erzeugten Rußproben vom Serienmotor wurden außerdem mit Hilfe der Temperatur-Programmierten-Oxidation und der Thermogravimetrischen Analyse untersucht. Diese ergeben eine höhere Reaktivität für die biogenen Kraftstoffe sowie für höhere Einspritz- und Ladeluftdrücke. 
Die Raman-Analysen dieser verschiedenen reaktiven Ruße lassen sehr ähnliche Mikrostrukturen erkennen. Ruß in DPF-Segmenten zeigt nach Teilregeneration keine Graphitisierung, sondern eine konstante strukturelle Ordnung (Raman-Analyse). 
Mit Hilfe isothermer Regenerationsexperimente konnte die Reaktivität der verschiedenen Ruße verglichen und deren Kinetikdaten bestimmt werden. So war es möglich mit einem Simulationsmodell den Rußabbrand nachzubilden. Außerdem wurden Diffusionskoeffizienten von Dieselpartikelfilterwand und Rußschicht bestimmt. 
Ferner sollte ein numerisches Rechenmodell entwickelt werden, mit dessen Hilfe der instationäre Vorgang einer diffusiven, mehrkomponentigen und reaktiven Gasbewegung innerhalb der Rußschicht simuliert werden kann.

Aufbau am Motorprüfstand