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Dieter Rothe Physikalische und chemische

1. vor PM KAT ne er ae ee nach PM KAT 90 Abscheidung 25 go 80 20 f 4 Ammg g p gt 70 15 f 60 Abscheidung Anzahl 10 f 4 50 dN dlog Dp 10 Partikel kWh Tt T T T T 30 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 94 PartikelanzahlgroBenverteilung im ESC vor und nach PM KAT BC 300 gemessen mit SMPS sowie Abscheidung Dies ist aber linear proportional zur Konzentration an elementarem Kohlenstoff Dargestellt sind in Abbildung 95 die verd nnten Emissionen Die Verd nnung variert dabei je nach Lastpunkt zwischen 1 5 bei Volllastpunkten und 1 50 im ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 134 Leerlauf Die h chsten Ru emissionen findet man bei den 3 Volllastpunkten Drehzahl A C Besonders hoch ist die Ru emission bei Drehzahl C 100 Last In Abbildung 96 sind die mittels PASS ermittelten Kohlenstoffkonvertierungsraten im ESC Stufenmittelwerte dargestellt Zur Mittelwertbildung wurden entsprech end der Vorschrift 4 jeweils die letzten 30 sec einer Stufe verwendet In Abbildung 96 erkennt man deutlich den Einfluss des Abgasmassenstroms sowie der Abgastemperatur auf die Kohlenstoffumsatzraten
2. 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 87 PartikelanzahlgroBenverteilung im ESC 8min Stufe sowie Abscheidung vor und nach dem PM KAT System Man erkennt eine bimodale Verteilung der Partikel Das Maximum der Nukleationsmode liegt vor dem PM KAT bei 6 nm und nach dem PM KAT System bei 8 nm Das Maximum der Akkumulationsmode liegt bei 65 bzw 60 nm vor nach dem System Die Abscheidung im Bereich der Akkumulationsmode liegt zwischen 15 und 30 Zu beachten ist dass im hier gew hlten Messaufbau nur Partikel bis zu einer Gr e von etwa 200 nm erfasst werden Gr ere Partikel die besonders masserelevant sind werden dabei nicht erfasst In Abbildung 88 ist das mittels SMPS bestimmte Langzeitverhalten 2h der Partikelanzahlkonzentration bei einem Konstantpunkt aus dem ESC Stufe 7 1425 min 320 Nm zu sehen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 127 16 5 14 15 f 25 5 12 35 g 45 5 10 55 iene S 65 u 73 1 2 a 85 ooo gt 95 S 4 110 4 120 min 24 pea E aa vae ae areata rata tea Ce ear eae ean eat ee eae eae ecm emer 0 mm r _ n aot 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 88 Langzeitverhalten der Partikelanzahlkonzentration bei einem ESC Stationarpunkt Stufe 7 gemessen mit SMPS Messintervall 5 min vor dem PM KAT System Die Akkumulationsmode konnte Uber den ge
3. 220 200 180 160 35 Raumgeschwindigkeit 103 h 1 25 15 60 200 250 300 350 400 450 500 Abgastemperatur C Abbildung 91 NO Kennfeld des Oxidationskatalysators im ESC Die roten Punkte kennzeichnen die zur Berechnung des Kennfeldes verwendeten ESC Punkte Volllastpunkt sind wei markiert Die Emissionen der limitierten gasf rmigen und partikul ren Abgaskomponenten sind f r das BC 150 System BC 150 entspricht 150 mm L nge in Tabelle 15 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 131 dargestellt Die HC und CO Emissionen des Motors sind bereits sehr niedrig und werden durch den Oxidationskatalysator des PM KAT Systems zu 80 90 oxidiert mg kWh ESC ETC vor PM KAT nach PM KAT vor PM KAT nach PM KAT PMorav 24 11 57 30 HC 80 10 110 15 co 200 10 450 50 Tabelle 15 Limitierte Emissionen des PM KAT Systems 5 Module BC 150 Die gravimetrisch bestimmten Partikelabscheideraten liegen im ESC bei 54 und im ETC bei 47 Der Abgasgegendruck dieses Systems im ESC Drehzahl C 100 Last liegt bei 54 mbar wobei 24 mbar durch den Voroxidationskatalysator verursacht werden In Abbildung 92 sind die im ESC und ETC erzielten gravimetrischen Partikelabscheideraten bei der Variation der Abscheidel nge der Module je 5 Module dargestellt 90 Umsatz N o A o
4. o o BC150 BC225 BC300 Abbildung 92 Variation der L nge des PM Abscheiders 150 225 und 300 mm 108 Der Umsatz steigt mit zunehmender Abscheiderl nge und folglich mit zunehmenden Abscheidevolumen Bei einer L nge von 225 mm BC 225 liegt der ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 132 Umsatz bei 67 69 ESC ETC Bei BC 300 L nge 300 mm betr gt der Umsatz 75 77 Die berechneten Umsatzraten f r BC 225 und BC 300 be ziehen sich auf die Rohemission mit dem BC 150 Modulen Es ist zu ber ck sichtigen dass der geringf gig h here Gegendruck von l ngeren Modulen bei der AGR zu h heren R ckf hrraten und folglich zu leicht h heren Partikelroh emissionen f hren kann In Abbildung 93 ist die Partikelanzahlgr enverteilung als ESC Summenwert sowie die anzahlbezogene Abscheidung f r das BC 225 System dargestellt 5 Module Bei der Messung vor dem PM KAT System erkennt man eine stark ausgepr gte Nukleationsmode mit einem Maximum bei 9 nm Das Maximum der Akkumulationsmode liegt bei 45 nm Nach dem PM KAT System ist eine nur noch schwach ausgepr gte Nukleationsmode mit einem Maximum bei 8nm zu erkennen Das Maximum der Akkumulationsmode hat sich leicht von 45 nm auf 50 nm erh ht Die Abscheidung der Partikel aus der Nukleationsmode liegt zwischen 80 und 90 Der Bereich der Akkumulationsmode wird zu 60 70 reduziert 35 100 vor PM KAT 30 H a ae
5. verz gerte Regelung verursacht Die Messung ohne Voreinspritzung zeigt ein hnliches Verhalten wie bereits in 8 2 2 beschrieben Die Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung bei den verschiedenen Kraft stoffen erfolgte mittels SMPS Im Unterschied zu den anderen Messungen in dieser Arbeit wurde bei diesen Untersuchungen die Scanzeit des SMPS von 120 s auf 30s reduziert Die Konditionierungszeit wurde von 5 min auf 1 5 min ver ringert Dies war notwendig da von den Sonderkraftstoffen nur eine begrenzte Menge zur Verf gung stand Mit dem Basiskraftstoff wurde ein Vergleich der verschiedenen Scanzeiten durchgef hrt 25 e Basis mit AGR Basis mit AGR 1 Wdh N pepe 1 Basis mit AGR 8 min Basis ohne AGR oa Basis ohne AGR 1 Wdh o L dN dlog Dp 10 Partikel kWh o 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 53 Einfluss der AGR auf die Partikelanzahlgr enverteilung sowie Wiederholungsmessungen bei Voruntersuchungen mit dem Basis kraftstoff im ESC Messzeit je Stufe soweit nicht anders angegeben jeweils 2 min Das Ergebnis der Messungen im ESC zeigt Abbildung 53 Es wurden 3 Basis messungen mit eingeschalteter AGR eine mit 2 min Scanzeit sowie 5 min Konditionierungsphase sowie 3 Messungen ohne AGR durchgef hrt Die Messungen mit und ohne zugeschalteter AGR zeigen eine sehr gute Repro duzierbarkeit
6. 30 4 4 BR 4444444444444 4 25 She ait ot ee ae ee a eS ee Seite ee 20 Pe re ee ee a ee A Se Se Ss d O E E E E p O OS 15 14f df eff zz dN dlog Dp Partikel cm 10 Verd nnung 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 46 Anzahlbezogene Partikelgr enverteilung bei einem ESC Konstant punkt 1800 min 260 Nm ohne AGR bei verschiedenen Raildr cken In Abbildung 46 ist das Ergebnis der SMPS Messung bei verschiedenen Rail drucken ohne zugeschaltete AGR zu sehen Im direkten Vergleich zu den Messungen mit AGR Abbildung 44 erkennt man einen um den Faktor 2 erh hte Nukleationsmode f r die Messungen bei 1450 und 1650 bar Die Nukleationsmode verschwindet erst bei einer Absenkung des Raildruckes auf 450 bar vollst ndig Die Akkumulationsmode ist erwartungsgem deutlich niedriger als bei den Messungen mit AGR In Abbildung 47 sind die NO Emission Schw rzungszahl sowie die H he des Maximums der Akkumulationsmode bei den verschiedenen Raildr cken ohne zugeschaltete AGR dargestellt Die Ru emission ist um den ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 80 Faktor 2 4 geringer als bei den Versuchen mit AGR Die NO Emissionen sind jedoch um den Faktor 2 4 h her als mit AGR SZ 0 6 4 H he AM NOx Schw rzungszahl Bosch H he des Akkumulationsmod
7. 30 3 3 4 FTIR Multikomponenten Abgasmessung 44444s440ennennnnnnnennnnnnnennnnnnnne nn nn ern 32 3 4 VERD NNTE ABGASPROBENNAHME AM MOTORENPR FSTAND uunnnessnsenssennnnnennnnnennnnenn 33 34 1 Verd nnungstunnel zesr een ER eae 33 3 4 2 Partikelprobenahme mittels Ejektorverd nner 2444 sense ennnnnennnnnnne nn 35 3 4 3 Berechnung der ESC Partikelanzahlgr enverteilungen 2444 seen 36 4 CHEMISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK ccccsccssteeceseeeeeseeesseeseseeeeneeees 37 4 1 ORGANISCH L SLICHER ANTEIL SOF 44424400444000rneonnnnnnnnnnensnnnnnnnnnnnnennnennn nn 37 4 2 KOHEENSTOFP EL n Ha tage Adie N EA A ETT gene Reh 38 4 3 DEE A Te Re en Dr a re En ra 38 4 4 ERS HTE ae a ea nr en nn ee ee Ba a Eee 38 5 PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK uuususunnnnennnnnannnnnnnnnannnnn nn 39 5 1 SCANNING MOBILITY PARTICLE SIZER SMPS 2 400nnensnnennnnnnnnnnnennnnennne nn 39 5 2 KONDENSATIONSKERNZAHLER CPC 220 2400nnnnensnsnnnnennnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnennn ann 47 5 3 PHOTOAKUSTISCHER RURSENSOR PASS uursnsuersnsnnsnennnnnnnnnnennnnonnnnnnnnnnennnnonnn 51 5 4 RAUCHMESSGER T A en aan na near 54 INHALTSVERZEICHNIS IX 6 KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 56 6 1 INNERMOTORISCHE MARNAHMEN ununneensnneensnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnsnnnnnnnnnnennnnnr nen 57 6 1
8. Einfluss von Motorenparametern auf die Partikel emission MTZ Motortechnische Zeitschrift 62 9 S 686 692 2001 Warnatz J Maas U Dibble R W Verbrennung Berlin Springer Verlag 2001 Beck H A Anwendungen der Photoakustischen Spektroskopie in der Prozess und Umweltanalytik Dissertation TU M nchen 2003 Bockhorn H Soot Formation during Combustion Berlin Springer Verlag 1994 Lahaye J G Prado Morphology and Internal Structure of Soot and Carbon Black in Particulate Carbon Hrsg D C Siegla G W Smith S 33 55 Plenum Press New York USA 1981 Su D S J O M ller R Jentoft D Rothe E Jacob R Schl gl Fullerene like Soot from EurolV Diesel Engine Consequences for Catalytic Automotive Control Topics in Catalysis 30 31 S 241 245 2004 LITERATUR 185 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 Su D S R E Jentoft J O M ller D Rothe E Jacob C Simpson K Mullen A Messerer U P schl R Nie ner R Schl gl Microstructure and Oxidation Behaviour of EURO IV Diesel Engine Soot a Comparative Study with Synthetic Model Soot Substances Catalysis Today 90 1 2 S 127 132 2004 Pungs A H B cker G Lepperhoff Untersuchungen zur innermotorischen Ru oxidation unter dieselmotorischen Bedingungen MTZ Motortechnische Zeitschrift 57 11 S 620 625 1996
9. oO oO a Grobstaub Mode 1 10 100 1 000 10 000 Partikeldurchmesser nm Anzahl Oberfl che Masse Abbildung 9 Typische massen und anzahlbezogene Partikelgr enverteilung von Dieselmotoren sowie Definitionen 15 Unter der theoretischen Annahme von kugelf rmigen Partikeln mit der Dichte 1 g cm kann aus dem Partikeldurchmesser eine Oberfl che und Masse bestimmt werden Da es sich bei Diesel Ru agglomeraten aber nicht um kugelf rmige Partikel sondern um hochverzweigte Agglomerate handelt deren Dichte nicht bekannt ist sind diese Ableitungen nur eine grobe N herung Zur direkten Massenbestimmung sind Messger te wie z B der ELPI Elektrischer Nieder druckimpaktor notwendig Es ist deutlich zu erkennen dass die Nukleationsmode berwiegend zur Anzahl aber nur wenig zur Masse der Partikel beitr gt Die Akkumulationsmode hingegen tr gt berwiegend zur Masse und nur wenig zur Anzahl bei Im Folgenden werden kurz die in Abbildung 9 dargestellten Moden erl utert DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 19 e Die Nukleationsmode bildet sich gew hnlich aus fl chtigen Vorl ufer substanzen w hrend der Verd nnung und Abk hlung des Abgases Sie besteht berwiegend aus fl chtigen organischen Substanzen Kohlen wasserstofftr pfchen und Schwefels uretr pfchen In einigen F llen kann sie auch feste Kohlenstoffverbindungen und Metallverbindungen Asche partikel enthalten e Die Akkumulationsmode Ru mode b
10. 1 ETC vor PM KAT TFR ET ETC nach PM KAT _ 3121 1 1 LH Integralwert vor PM KAT lot IH Integralwert nach PM KAT 5 214 wahe T aan 8 S AM z 0 8 2 222 0 5 all A E 206 4 a HeT HH t ra I ii aa HIA Hi AN I la a2 Iai h il If BART a E HI Ua BO en 0 EAC Lil Mi a mM M 4 LNN at ur INAP PER TTA N ai 0 0 800 1000 1200 1400 1600 1800 Zeit s 125 Abbildung 85 Kohlenstoffemission vor und nach dem PM KAT System im ETC sowie Integralwerte 2 1 25 18 ETC vor PM KAT IE BEER ETC nach PM KAT kai Integralwert vor PM KAT Integralwert nach PM KAT a Te _ u RIESE Paap sssss3 gt gt I 10 758 5 ee erererorererer ees Ferse 2 ze ezer eee ee H E WH a lt Hy N NE eed comm HH kF 0 25 H mtn a a A TTL ATCA N 300 600 a Abbildung 86 Kohlenstoffemission vor und nach dem PM KAT System im ETC sowie Integralwerte Ausschnitt Innerst dtischen Teil des Zyklus ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 126 Die Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung im ESC erfolgte mit dem SMPS System Das Ergebnis ist in Abbildung 87 dargestellt AQ ee a a 50 vor PM KAT nach PM KAT Abscheidung 40 dN dlogDp 10 Partikel kWh Abscheidung Anzahl
11. Achenbach T F Bauer W Held Formel zur Berechnung der Partikelemission im 13 Stufen Zyklus f r Euro3 Motoren MAN interner Versuchsbericht TEA N 141 01 N rnberg 2001 Jacob E N D Alfonso A D ring S Reisch D Rothe R Br ck P Treiber PM KAT Nichtblockierende L sung zur Minderung von Dieselru f r EurolV Nutzfahrzeugmotoren H P Lenz Hrsg 23 Internationales Wiener Motorensymposium 25 26 April 2002 Band 2 Fortschritt Berichte VDI Reihe 12 Nr 490 D sseldorf VDI Verlag 2002 196 216 van Setten B V Development of a Liquid Catalyst for Diesel Soot Oxidation Dissertation TU Delft 2001 Howitt J S M R Montierth Cellular Ceramic Diesel Particulate Filter SAE Technical Paper Series 810114 1981 Opris C N Johnson A 2 D Computational Model Describing the Flow and Filtration Characteristics of a Ceramic Diesel Particulate Trap SAE Technical paper 980545 1998 Saggio Woyansky C E Scott W P Minnear Processing of Porous Ceramics Am Ceram Soc Bull 71 S 1674 1682 1992 Mizrah T A Maurer L Gauckler J P Gabathuler Open pore Ceramic Foam as Diesel Particulate Filter SAE Technical Paper Series 890172 1989 Erben E W Schmiedeck W D Klaunig E M Reichle Untersuchung zur Verminderung der Dieselpartikelemission von Nutzfahrzeugen mit Schaumkeramik MTZ Motor technische Zeitschrift 49 S 511 512 1988 Gabathuler J P T Mi
12. D max momentane Ru menge z D Z amp Ru konzentration 3 3 m Ru Im gesamt j 0 50 100 150 p PKW Abbildung 13 Schematischer Verlauf der Ru menge ber Grad Kurbelwinkel bei der dieselmotorischen Verbrennung 30 Untersuchungen haben gezeigt dass die Ru bildung w hrend der Verbrennung durch verbesserte Gemischaufbereitung im verst rktem Ausma auftreten kann 31 Allerdings nimmt auch die Nachoxidation des entstandenen Ru es deutlich zu sodass die am Ende der Verbrennung verbleibende Ru menge geringer wird MOTORENPR FST NDE 27 3 Motorenpr fst nde 3 1 Aufbau eines Motorenpr fstandes Der Pr fstand besteht aus einem Motor mit Steuerger t EDC Electronic Diesel Control der Wasserwirbelbremse bzw elektrischen Bremse bei dynamischen Pr fst nden einer Abgasmessanlage sowie der Pr fstandsregelung mit Bedien pult Das vom Motor abgegebene Drehmoment wird mit einer Gelenkwelle auf die Wasserwirbelbremse bertragen Diese st tzt sich mit einem Hebelarm auf einer Kraftmessdose ab Aus dem Kraftsignal der Hebelarml nge und der mittels Inkrementgeber erfassten Drehzahl wird die Motorleistung errechnet Der Motor mit EDC Steuerger t die Wasserwirbelbremse sowie die Messwert aufnehmer f r Drehmoment und Drehzahl bilden einen Regelkreis Die Sollwert vorgaben f r Drehzahl und Drehmoment werden vom Bedienpult bzw dem Rechner manuell oder automatisch vorgegeben Die in der Pr fstandsreg
13. LDMA LDMA Wdh Mittelwert dN dlog Dp Partikel cm 107 Verd nnung Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 41 Partikelanzahlgr enverteilung 1800 min 605 Nm ESC Stufe 3 Probenahme nach Turbolader Messung mit NDMA und LDMA sowie daraus gebildeter Mittelwert In Abbildung 42 ist das Ergebnis der Messung der Partikelanzahlgr enverteilung an 3 verschiedenen Probenahmestellen in der Abgasleitung bei einem Station r ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 74 punkt aus dem ESC Stufe 6 1450 min 945 Nm 3 6 g kWh NOx Rauch 1mg m dargestellt nach Turbolader 4 nach Schalld mpfer Ende Abgasleitung a i gu un al DB 1 10 100 dN dlog Dp Partikel cm 107 Verd nnung N Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 42 Partikelanzahlgr enverteilung bei 1450 min 945 Nm ESC Stufe 6 an verschiedenen Probenahmestellen Es ist kein Unterschied zwischen der Messung nach dem Turbolader und nach dem Schalld mpfer festzustellen Bei der Messung am Ende der Abgasleitung hat sich das Maximum der Nukleationsmode um 30 verringert und von 4 nm auf 5 nm verschoben Im Bereich der Akkumulationsmode ist allgemein kein Unter schied an den verschiedenen Probenahmestellen festzustellen In Abbildung 43 ist die Partikelanzahlgr enverteilung an 3 verschiedenen Probennahmest
14. die anderen Elemente treten nur in geringen Konzentrationen von kleiner als einem Prozent auf Durch die Erh hung der Abgasr ckf hrrate steigt die Ru emission des Motors stark an vgl 8 2 3 Der Anteil der anderen Elemente geht dementsprechend zur ck Der Kohlenstoffanteil wird vom elementaren Kohlenstoff dominiert Der Sauerstoff hat seinen Ursprung haupts chlich von funktionellen Gruppen an der Ru oberfl che die sich durch Teiloxidation des Ru es bilden Teilweise wird er auch in anorganischer Form CaO und ZnO gebunden sein Nur ein geringer Teil entstammt teiloxidierten Kohlenwasserstoffen Bei der Probe D 1 handelt es sich um kommerziell erh ltlichen synthetischen Flammru der Firma Degussa Dieser wurde als Referenzprobe verwendet Laut Datenblatt 119 liegt der Ascheanteil bei maximal einem Prozent und der Anteil an Kohlenstoff ber 96 Die Analyse liefert einen Kohlenstoffanteil von 99 5 und entspricht damit der Spezifikation ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 163 Die Proben E4 aus Abbildung 112 und E IV Abbildung 113 wurden bei einem D0836 LF40 EurolV Versuchsmotor im transienten und station ren Motoren betrieb gesammelt Der Kohlenstoffanteil liegt bei 85 in station ren und etwa 81 im transienten Betrieb der Sauerstoffanteil liegt zwischen 8 und 11 Der Anteil der restlichen Bestandteile liegt zwischen 4 und 7 Dieser wird aus den verbrannten ladditivbestandteilen gebildet s o
15. nach PM KAT 90 Abscheidung T z ee a SENEN ae eee eee so amp 5 g amp 20 f Mwng 705 oO D 5 a een a 60 3 a D Q eu 2 220 50 3 2 lt Oo B 4 4 4 UK 2 2 2 4444400 40 0 Bine 30 1 10 100 1000 elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 93 Partikelanzahlgr enverteilung im ESC vor und nach PM KAT BC 225 sowie mit SMPS gemessene Abscheidung ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 133 In Abbildung 94 ist die Partikelanzahlgr enverteilung als ESC Summenwert sowie die anzahlbezogene Abscheidung beim BC 300 System dargestellt 5 Module Bei der Messung vor dem PM KAT liegt das Maximum der stark ausgepr gten Nukleationsmode bei 9 nm das der Akkumulationsmode bei 45 nm Nach dem PM KAT liegt das Maximum der nur noch schwach ausgebildeten Nukleationsmode bei 7 nm Das Maximum der Akkumulationsmode hat sich hier ebenfalls auf 50 nm erh ht Die Abscheidung liegt im Bereich der Nukleations mode zwischen 80 und 90 Im Bereich der Akkumulationsmode liegt sie zwischen 60 und 75 In Abbildung 95 sind die mittels PASS TU Munchen Vorlaufer Versuchsgerat vgl 8 3 3 ermittelten Emissionen an Kohlenstoff vor und nach dem PM KAT im ESC dargestellt Da das verwendete Ger t noch nicht f r Dieselru kalibriert war ist nur das entsprechende Rohsignal in mV dargestellt 35 100
16. 2 Probenahme 3 Beheizte Leitung 4 Controller 5 Pumpe 6 Verd nnte Abgasleitung alternativ 7 Ventil 8 Fenster 9 Spiegel 10 Heizung 11 Beheizte Messzelle 185 C 12 IR Detektor 13 Fester Spiegel 14 Beweg licher Spiegel 15 Strahlteiler 16 IR Strahlquelle Die durchstrahlte Me k vette wird auf 185 C temperiert so dass ein Mef amp gas kuhler nicht notwendig ist 3 4 Verd nnte Abgasprobennahme am Motorenpr fstand 3 4 1 Verd nnungstunnel An Motorenpr fst nden f r Nutzfahrzeuge wird zur Partikelprobennahme meist ein Verd nnungstunnel eingesetzt Dieses System simuliert eine Vollstrom verd nnung Es wird konstant ein definierter Teil des Abgases aus der Abgas MOTORENPR FST NDE 34 leitung entnommen und entsprechend mit Verd nnungsluft versetzt Das Ver d nnungsverh ltnis entspricht dabei dem das auch im Vollstromtunnel herrschen w rde Das so verd nnte Abgas wird ber einen Filter geleitet Als Filtermaterial wurden teflonbeschichtete Quarzfaserfilter PALLFEX EMFAB 70 mm verwendet Der beladene Filter wird einer W gung unterzogen Der Aufbau des Verd nnungstunnels ist in Abbildung 18 zu sehen 3 5 6 7 12 Mikrotunnel Abbildung 18 Aufbau des Verd nnungstunnels Mikrotrol 4 NOVA MMB Schwarzenberg Legende 1 Luftfilter 2 Filterelement 3 W rme tauscher 4 K hlwasser Regelventil 5 Druckmessumformer 6 Kalibrier und Durchflussmesser 7 Temperaturf hler 8 Kugel venti
17. 20 mg Ru mit Dichlormethan erfolgte durch Sieden unter R ckflu mit Zugabe eines internen Standards C44 f r SOF Antracen dio fur GC MS Die Probe wurde dann Eingengt filtriert und der gas chromatographischer Analyse zugef hrt Die Errechnung des Kraftstoff lanteils erfolgte nach IP 442 99 Es wurden 3 2 SOF Anteil an den Gesamtpartikeln ermittelt je 1 6 Kraftstoff und Schmier lanteil ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 159 Der niedrige Anteil der organisch l slichen Bestandteile ist auf die angewendete Probennahme bei etwa 100 150 C zur ckzuf hren Bei dieser Temperatur sind einige organische Bestandteile bereits fl chtig Dabei wird ein Teil des SOF verdampft sein 2 GC MS Screening des Dichlormethan Extraktes F r das GC MS Screening wurde der SOF Extrakt in ein GC MS HP MSD 5973 Trenns ule HP5 MS injiziert und mit El Elektronensto ionisation im Scan Mode gemessen Verbindung Mittelwert ug g Verbindung Mittelwert ug g n Heptadecan 80 n Tricosan 141 i C18 Alkane 270 n Tetracosan 104 n Octadecan 109 n Pentacosan 82 i C19 Alkane 262 Anthracen Phenanthren 3 n Nonadecan 127 16 0 Palmitinsauremethylester 79 n Eicosan 110 18 1 ls uremethylester 285 n Heneicosan 264 18 0 Stearinsauremethylester 33 iC22 Alkane 249 Indan 0 n Docosan 136 Biphenyl 1 Summe 2336 Tabelle 17 Ergebnis des GC MS Screening des Dichlormethanextraktes der R
18. Berghof DAP 30 auf geschlossen Je 10 ul der aufgeschlossenen Proben wurden f r eine TXRF ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 152 Bestimmung Atomika EXTRA Ila auf einem Quarzprobentr ger aufgebracht der Rest der L sung wurde f r die ICP MS Bestimmung Perkin Elmer ELAN 6100 verwendet Aus der zweiten Filterh lfte wurde ein Aliquot 6mm entnommen Dieses Aliquot wurde auf einem Quarzprobentr ger der mit 10 ul Ga Standard 1mg l versetzt war mittels Carbowax fixiert Die so beladenen Probentr ger wurden nach der Trocknung der Plasmaveraschung Plasmaverascher 100E Technics Plasma zugef hrt Die veraschten Proben wurden mittels TXRF vermessen Es wurden jeweils die Mittelwerte aus zwei bis drei Messungen gebildet Ergebnisse In Abbildung 109 und Abbildung 110 ist die Elementarzusammensetzung der h ufigsten Nichtkohlenstoffbestandteile der untersuchten Filterproben dargestellt Erwartungsgem k nnen die leichten Elemente Phosphor und Schwefel nur schwer detektiert werden 25 0 E TXRF plasmaverascht E TXRF aus Aufschlu SOG A nr ee Em ICP MS aus Aufschlu E Absch tzung P S Element Ca Fe Cu Zn Abbildung 109 Elementarzusammensetzung der wichtigsten Nichtkohlenstoff bestandteile von Dieselabgaspartikeln Methodenvergleich f r Filter 1 2 Motor 1800m 100 Last Sammelzeit 15 min Theoretische Absch tzung f r lverbrauch von 0 05 g kWh Bei der Pr
19. Boulouchos K Ru partikel aus der motorischen Verbrennung Tagung Partikel emissionen und Partikelfiltertechnik HAT Haus der Technik M nchen 30 31 Mai 2000 Eichlseder H E Rechberger P Staub Der Einflu des Einspritzsystems auf den Verbrennungsablauf bei DI Dieselmotoren f r Pkw 5 Tagung Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors Graz 1995 Klingenberg H Automobile Exhaust Emission Testing Measurement of Regulated and Unregulated Exhaust Gas Components Exhaust Emission Tests Berlin Springer Verlag 1996 Jacob E Erfassung und Vermeidung von Schadstoffen bei der Stickoxidverminderung in Abgasen BMFT Forschungs und Entwicklungsprogramm Umweltschutz Abschlu bericht BMFT F rderkennzeichen 01 VQ294 1988 Bedienungsanleitung Mikrotrol 4 Nova MMB Messtechnik GmbH Berlin User Manual Dekati Diluter Dekati Finland 1999 Institute of Petroleum Extraction of the Soluble Organic Fraction SOF of Diesel Particulates Collected on Filters Soxhlet Extraction Method IP Method 443 99 Institute of Petroleum Analysis of Fuel and Oil derived Hydrocarbons in Diesel Particulates on Filters Gas Chromatography Method IP Method 442 99 VDI Richtlinie 2465 Blatt 1 Messen von Ru Immission Chemisch analytische Bestimmung des elementaren Kohlenstoffes nach Extraktion und Thermodesorption des organischen Kohlenstoffes 1995 Hirokazu F H Uchihara I Asano M Adachi S
20. Die Messung mit der Scanzeit von 2 min sowie 5 min Konditionierungszeit zeigt im Vergleich zu der Messung mit 30 s Scanzeit sowie ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 91 1min 30 s Konditionierungsphase einen leicht erh hten und von 9 nm auf 8 nm verschobenen Nukleationsmodenpeak Der Einfluss der AGR auf die Partikel anzahlgr enverteilung wurde bereits unter 8 2 3 diskutiert Basis MK1 10 NExBTL 50 NExBTL 100 NExBTL ECOPAR dN dlogDp 10 Partikel kWh 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 54 Partikelanzahlgr enverteilung im ESC bestimmt mit SMPS f r verschiedene Dieselkraftstoffe mit VE und mit AGR In Abbildung 54 ist die mit dem SMPS bestimmte Partikelanzahlgr enverteilung im ESC gewichtet leistungskorrigiert aufsummiert bei den verschiedenen Dieselkraftstoffen dargestellt Alle untersuchten Kraftstoffe zeigen eine ausgepr gte Nukleationsmode mit einem Maximum bei 10 nm Das Maximum der Nukleationsmode ist bei der Beimischung von 10 hydriertem Biodiesel zum Basiskraftstoff und bei reinen hydrierten Biodiesel 25 niedriger als bei reinem Basiskraftstoff Das Maximum der Akkumulationsmode verschiebt sich bei reinem hydriertem Biodiesel dem schwedischen MK1 Diesel sowie ECOPAR von 53 auf 48 nm und verringert sich um 10 20 Dies deckt sich mit den gravimetrischen Untersuchungen und den Rauchwertmessungen ERGE
21. Die h chsten Ums tze 65 80 an elementarem Kohlenstoff werden bei den Volllastpunkten A C erreicht nach PM KAT vor PM KAT PASS Signal mV Laufzeit s Abbildung 95 Kohlenstoffkonzentrationssignal verd nnt im ESC vor und nach PM KAT BC 300 gemessen mit PASS System 67 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 135 100 Oe en 60 u ee a a a 20 l A a a 0 A25 A50 A75 A100 B25 B50 B75 B100 C25 C50 C75 C100 ESC Stufe Kohlenstoffumsatz Abbildung 96 Mittels PASS bestimmte Kohlenstoffkonversionsraten im ESC bei BC 300 Stufenmittelwerte 67 In den anderen ESC Stufen liegt der Umsatz an elementaren Kohlenstoff zwischen 40 und 65 In Abbildung 97 ist die anzahlbezogene Partikelgr enverteilung im ESC Summenwert vor und nach dem PM KAT System BC 300 sowie die Abscheidung bei Verwendung der Referenzbetriebsstoffe Dieselkraftstoff mit Schwefelanteil von lt 4ppm und aschearmes Motoren l zu sehen Diese Untersuchungen erfolgten an einem anderen Motor EurolV MAN D0836 LF 40 mit einem leicht unterschiedlichem Rohemissionsniveau Daher sind die Ergebnisse aus Abbildung 93 und Abbildung 97 nicht direkt miteinander vergleichbar Die Messung vor dem PM KAT System zeigt eine ausgepr gte Nukleationsmode mit einem Maximum bei 7nm Das Maximum der Akkumulationsmode liegt bei 42nm Nach d
22. Die weiteren bestimmten Elemente H N und S treten nur in vernachl ssigbaren Konzentrationen von weniger als einem Prozent auf Vergleicht man nun die Eurolll Emissionen Z1 mit den EurolV Emissionen so f llt auf das der Kohlenstoffanteil in den Proben zunimmt da der Ascheanteil und damit korreliert der Sauerstoffanteil zur ckgeht In der Regel ist der lverbrauch beim zur Produktion des Z1 Ru es verwendeten Motors D2866 h her als bei dem zur Produktion des EurolV Ru es verwendeten Motors D0836 Dies kann somit den h heren Anteil an Asche beim Z1 Ru erkl ren In 8 5 6 wurde eine Ru probe des EurolV Motors an dem auch die E4 und E IV Proben gesammelt wurden umfassend charakterisiert dabei wurde coulometrisch der Anteil an elementaren Kohlenstoff bestimmt Der dort erhaltene Wert von 80 5 liegt leicht unter dem Wert von 85 bei der Bestimmung des Anteils an Kohlenstoff bei der E4 Probe Ber cksichtigt man jedoch noch den Wert f r den SOF Anteil von 3 2 so korrelieren beide Ergebnisse sehr gut Bei den Ru proben GfG alt und GfG frisch die mit dem Graphitfunkenru generator erzeugt wurden liegt der Kohlenstoffanteil zwischen 80 und 84 Auff llig ist der hohe Sauerstoffanteil zwischen 14 und 16 in beiden Proben Der Anteil an Wasserstoff liegt zwischen 1 und 2 der f r Restbestandteile zwischen 1 und 3 Die Produktion des GfG Ru es findet in einer reinen Argonatmosph re Reinheit 6 0 statt Jedoch fanden Kotzick et al
23. Durch die Aufnahme von Probespektren im FBR Bypass konnte jetzt die Gaszusammensetzung ermittelt werden Nun wurde der FBR auf die Reaktionstemperatur aufgeheizt Nach Erreichen der Reaktionstemperatur wurden die Gase durch den FBR gef hrt und alle 50s ein Spektrum aufgenommen Konnte bei den aufgenommenen Spektren kein gro er Unter schied bez glich der Spektrenh he mehr festgestellt werden wurde die Zahl der aufgenommenen Spektren pro Zeiteinheit reduziert Zus tzlich erfolgten in regelm igen Abst nden Messungen der Bypass Gaskonzentration Am Ende der Oxidation Abklingen der CO2 Konzentration wurde die Temperatur des FBR auf 400 C erh ht um den verbleibenden Ru komplett zu oxidieren und damit die Massenbilanz zu schlie en 9 3 1 Versuchsdurchf hrung und Diskussion Katalysatorstrukturen fur alle Experimente OM BS1FF glatt Im Folgenden wird der typische Ablauf eines Rufoxidationsexperimentes beschrieben Die Versuchsdurchf hrung bei den anderen Experimenten in dieser Arbeit ist soweit nicht anders beschrieben analog zu dem in diesem Kapitel beschriebenen Experiment Versuchsdatum 20 02 2003 FBR Beladung mit Realru EurolV Motor D0836 LF 40 3 ESC und 1 ESC 8 min Temperatur des FBR 300 C Gaszusammensetzung 5000 Nml min N2 500 Nml min O2 5 Nml min NO 50 Nml min H30O1 0 6 H2Ogast Der Konzentrationsverlauf der Spurengase ist in Abbildung 116 dargestellt Die Kohlendioxidkonzentration ist zur besser
24. HC Umsatz 450 400 Q a o oa So gt N oa Oo N So oO Raumgeschwindigkeit 103 h a o Q oO a gt 250 300 350 400 450 Abgastemperatur vor PM KAT C Abbildung 100 Kohlenwasserstoffumsatz im ESC Raumgeschwindigkeit durch den Oxidationskatalysator als Funktion der Abgas temperatur Die im ESC ermittelte Kohlenwasserstoff Konversion aus FID Werten vgl 3 3 2 liegt zwischen 60 und 90 und ist in Abbildung 100 dargestellt Der in Abbildung 101 dargestellte NO Umsatz wurde indirekt ber die Differenz aus den gemessenen NO nach PM KAT und NO Werten vor dem PM KAT bestimmt Messung von NO mit CLD Analysator vgl 3 3 1 Der gravimetrisch bestimmte Gesamtpartikelumsatz Mittelwerte aus je 3 Messungen lag bei 58 63 im ESC ETC wobei absolute Reduktionsraten von 24 bzw 45 mg kWh erreicht wurden ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 139 NO Anteil 450 400 70 350 60 300 50 250 40 200 150 Raumgeschwindigkeit 10 h 20 100 50 10 0 250 300 350 400 450 Abgastemperatur vor PM KAT C Abbildung 101 NO Anteil im ESC nach PM KAT Raumgeschwindigkeit durch den Oxidationskatalysator als Funktion der Abgas temperatur Der Gegendruck des PM KAT Systems lag bei
25. Konzentration im Abgas Legende 1 Gleichspannungsquelle 2 Verst rker 3 Netz stabilisierung 4 Empf ngerkammer 5 Metallmembran 6 Blende 7 Abgas 8 Messk vette 9 Vergleichsk vette 10 Filterk vette 11 motorgetriebenes Blendenrad 12 Strahlungsquelle 32 Das kontinuierlich in eine Messk vette eingebrachte Messgas wird abwechselnd mit einer Vergleichsk vette von infraroter Strahlung durchstrahlt Die Vergleichs k vette ist mit einem Gas gef llt das im Wellenl ngenbereich der zu unter suchenden Abgaskomponente keine infrarote Strahlung absorbiert Um Quer empfindlichkeiten zu vermeiden wird eine sogenannte Filterk vette vorgeschaltet Es handelt sich hierbei um einen Monochromator der nur Licht einer bestimmten Wellenl nge passieren l sst Nachdem die Strahlung die Mess und Vergleichs k vette durchlaufen hat trifft sie auf die Empf ngerkammer Diese ist mit dem zu untersuchenden Gas gef llt das sich je nach Intensit t der einfallenden Strahlung mehr oder weniger erw rmt Da die Messkammern f r die abwechselnd aus Mess und Vergleichsk vette eintreffende Strahlung durch eine Metallmembran getrennt sind baut sich eine Temperatur und Druckdifferenz auf die in eine der Konzentration proportionale Spannung umgewandelt werden kann Abbildung 16 Ein Nachteil ist die Querempfindlichkeit zu Wasserdampf die einen Me gask hler zur Wasserabscheidung erfordert MOTORENPR FST NDE 32 3 3 4 FTIR Multikomp
26. LITERATUR 191 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 Muckenhuber H H Grothe The Reaction Between Soot and NO Investigation on Functional Groups using TPD MS Topics in Catalysis 30 31 S 287 291 2004 Carbon Black Product Information Printex XE2 Pl 125 1E Kotzick R U Panne R Niessner Changes in Condensation Properties of Ultrafine Carbon Particles Subjected to Oxidation by Ozone Journal of Aerosol Science 28 S 725 735 1997 Dronia E Experimentelle Untersuchungen zur simultanen Ru partikeldeposition und oxidation unter relevanten Betriebsbedingungen f r Nutzfahrzeugabgassysteme Diplomarbeit M nchen 2003 Thalhammer A Experimentelle Untersuchung und Modellbildung zum Oxidations verhalten von Real sowie ModellruRen auf neu entwickelten Katalysatortr gerstrukturen Diplomarbeit M nchen 2004 Arthur J R H F Ferguson K Lauber Comparative Rates of Slow Combustion of Carbon in Oxygen and Nitrogen Dioxide Nature 178 S 4526 1956 Cooper B J J E Thoss Role of NO in Diesel Particulate Emission Control SAE Technical Paper Series 890404 1989 Teraoka Y K Nakano S Wenfeng K Shuichi Simultaneous Catalytic Removal of Nitrogen Oxides and Diesel Soot Particulate over Perovskite related Oxides Catalysis Today 27 S 107 113 1996 Neeft J P A O P v Pruissen M Mak
27. Nakamura M Ikeda K Ishida An Alternative Technique for Low Particulate Measurement SAE Technical Paper Series 2001 01 0218 2001 Richter K MAN Nutzfahrzeuge Gruppe Steyr pers nliche Mitteilung Dezember 2004 Collura S N Chaoui B Azambre G Finqueneisel O Heintz A Krzton A Koch J V Weber Influence of the Soluable Organic Fraction on the Thermal Behaviour Texture and Surface Chemistry of Diesel Exhaust Soot Carbon 43 S 605 613 2005 Klingenberg H Sch rmann D Nicht limitierte Automobil Abgaskomponenten Volkswagen AG Forschung und Entwicklung Wolfsburg 1988 Institute of Petroleum Determination of Sulphate and Nitrate in Diesel Particulate Filter Samples IP Method 416 96 LITERATUR 186 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 Vilhunen J K M Schmeling L Rantanen S Mikkonen R Klockenk mper D Klockow Trace Element Determination in Diesel Particulates by Total Reflection X Ray Fluorescence Analysis Mikrochimica Acta 131 S 219 233 1999 Baron P K Willeke Ed Aerosol Measurement Principles Techniques and Applications Wiley Interscience Second Edition 2001 Hinds W C Aerosol Technology Properties Behaviour and Measurement of Airborne Particles Wiley Interscience Second Edition 1998 TSI Model 3080 Electrostatic Classifier Instruction Manual R
28. Sowie die Akkumulationsmode im Bereich zwischen 40 und 80 nm die eigentliche Ru mode Die Nukleationsmode wird stark beeinflusst von der Art der Probenahme insbesondere von der Ver d nnung Bei der Unterschreitung eines bestimmten Verd nnungsverh ltnisses k nnen die Kohlenwasserstoffe homogen nukleieren Zus tzlich k nnen Asche ZUSAMMENFASSUNG 181 partikel aus dem Motoren l als Kondensationskerne dienen Die toxikologische Wirkung in der Lunge unterscheidet sich aufgrund der unter schiedlichen Zusammensetzung und L slichkeit von der der Ru mode Beide Modi sollten deshalb hinsichtlich Ihrer toxikologischen Wirkung getrennt bewertet werden In dieser Arbeit vorgestellte verschiedene motorische Ma nahmen Einspritz druckerh hung Mehrfacheinspritzung AGR f hren zu einer deutlichen Reduzierung der limitierten Emissionen PM und NO Bei dem in dieser Arbeit untersuchten Einflu der Motorenbetriebsstoffe auf das Emissionsverhalten konnte ein deutlicher Einflu des Aromatengehaltes im Diesel kraftstoff auf die Ru emission nachgewiesen werden Verschiedene Motoren le zeigen hingegen keinen gro en Einflu auf die limitierten Emissionen Die unter suchten Motoren le haben jedoch teilweise einen Einflu auf die Partikelgr en verteilung Ein h herer Anteil an Additivbestandteilen im Motoren l f hrt zu einer Zunahme der Nukleationsmode Bei den EurolV V Grenzwerten f r Nutzfahrzeuge sind neben rein motori
29. Zusammenfassung der Arbeit und Schlu folgerungen Schwerpunkt der Arbeit war die differenzierte Analyse der Partikelemissionen von Nfz Motoren und die Erarbeitung von korrespondierenden Ma nahmen zur Absenkung dieser Emissionen Die Ergebnisse der Arbeit fanden Eingang in die Serienl sung zur Absenkung der Partikelemissionen auf EurolV Niveau der MAN Nutzfahrzeuge AG Bei der Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung mittels SMPS im Abgas von modernen Nutzfahrzeugmotoren treten oft zwei Modi auf 6 gt Nukleationsmode Akkumulationsmode 4 Bl ES En t 4 Tr pfchen aus Ru partikelagglomerate y Kraftstoff Motoren l Teilweise mit angelagerten Chemische oder Schwefels ure Substanzen Zusammensetzung Teilweise Asche Rn 2 l Hoch 7 Gering Einfluss der Probenahme dN dlog Dp 10Partikel kWh wo Verbesserte Verbrennung Verbesserte Verbrennun 14 Oxidationskatalysator in PM KAT Filter Verbindung mit schwefel Betriebsstoffe freien Kraftstoff 0 p ee m 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm _ Ma nahmen zur Vermeidung Abbildung 121 Typische bimodale Partikelgr enverteilung im Nutzfahrzeugdiesel motorabgas im ESC mit Quellen und Ma nahmen zur Minderung Zum einen die Nukleationsmode im Bereich um 10 nm die vor oder ohne Oxidationskatalysatoren meist aus un bzw teilverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Kraftstoff und Motoren l besteht
30. im ESC ETC erreicht werden Die Reduzierung der Zahl der Module von drei auf zwei bei einer Lange von 150 mm 2xOM150 f hrte zu Abscheideraten von 60 58 im ESC ETC bei einem Abgasgegendruck von 90 mbar Die Verwendung von zwei Modulen mit einer L nge von 300 mm 2xOM300 zeigte gute Abscheiderarten von 72 72 im ESC ETC Der Abgas gegendruck bei dieser Kombination mit 169 mbar war jedoch zu hoch Die Verwendung von nur einem Modul 1xOM150 f hrte zu einem noch h heren Abgasgegendruck von 210 mbar bei Umsatzraten von 50 50 im ESC ETC 100 210 220 nn OESC ETC Abgasgegendruck o 90 F ohne Vorkat gt p 200 u 80 ee deg mm o 180 Tae Gee Gee eee FE ee ine aM 160 B WME E e O S E 01 M E bo 140 ME E eo 5 50 f F 4 I 120 2 Ai FERNER er oO 9 D 40 100 gt o 5 30 80 lt 20 60 10 5 40 0 20 3x OM300 3x OM150 2x OM300 2x OM150 1x OM150 3x OM150N Abbildung 73 Gravimetrisch gemessene Gesamtpartikelumsatze der verschiede nen OM PM KAT Kombinationen im ESC und ETC sowie der ent sprechende Abgasgegendruck Bezeichnung Zahl der Module x OM Module N Mikro kugelbeschichtung L nge der ohne Buchstabe Streckmetall Trotz guter Ergebnisse wurde aus Kostengr nden die Streckmetalll sung verworfen Eine preiswertere L sung bot sich in der Verwendung ein
31. ngt von dem elektrischen Feld ab dem sie ausgesetzt waren Die vom CPC erfassten Roh daten werden intern gespeichert Der Computer wandelt diese Partikelrohdaten unter der Annahme dass jedes Partikel nur eine Ladung tr gt in Partikelgr en klassen um 64 Kan le pro Dekade Die Partikelkonzentration in jedem Gr enkanal wird mittels Software unter Ber cksichtigung der folgenden Daten berechnet den Rohpartikelanzahlen in einem Partikelgr enkanal Ladungswahrscheinlichkeit bez glich Einfach ladungen Korrekturen der Mehrfachladungen falls gew nscht Breite der PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 47 Transferfunktion DMA Flussraten CPC Flussrate der Messzeit te fur einen Gr enkanal Slip Korrektur dem Dso Impaktor Abscheidedurchmesser sowie der Effizienzen des CPC und DMA Die Transferfunktion ist definiert als die Wahrscheinlichkeit dass ein Partikel mit der elektrischen Mobilit t Z das in den Klassierer gelangt diesen mit dem monodispersen Aerosolfluss qm verl sst Eine von Knutson und Whitby 52 ermittelte Transferfunktion zeigt Abbildung 24 Transfer Funktion lt Elektrische AZp Mobilitat Abbildung 24 Transferfunktion des Elektrostatischen Klassierers 52 Die Transferfunktion ist abhangig von der Partikelmobilitat der Elektroden spannung der Geometrie und den Flussraten des Klassierers Die Zahl der Partikel die den Klassierer mit dem monodispersen Aerosolstrom verlassen entspr
32. nnungs systemen ermittelt wurden schwierig ist Vogt et al 92 verglichen verschiedene ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 77 Probennahmesysteme CVS Miniverd nnungssystem und Abgasfahne bei einem Diesel Pkw und fanden eine gute bereinstimmung der Akkumulationsmode Eine Nukleationsmode wurde bei diesen Messungen nur bei Verwendung von schwefelhaltigem Dieselkraftstoff 360 ppm S und einem Oxidationskatalysator beobachtet Diese Mode wurde jedoch stark von der Probennahme beeinflusst 8 2 Einfluss motorischer Parameter 8 2 1 Variationen des Raildruckes An einem EurolV Versuchsmotor MAN D0834 4 61 103kW mit einem Common Rail Einspritzsystem wurde der Raildruck bei einem ESC Station rpunkt mit und ohne zugeschaltete AGR AGR Rate etwa 20 variiert und die anzahlbezogene Partikelgr enverteilung mittels SMPS bestimmt Die Abgas probenahme und Verd nnung erfolgte mittels Verd nnungstunnel bei Konstant verd nnung 1 10 Das Ergebnis der SMPS Messung zeigt Abbildung 44 Den Einfluss des Raildruckes auf die Schw rzungszahl und die NO Emissionen ist in Abbildung 45 dargestellt Wird der Raildruck ausgehend von der Standard einstellung 1250 bar weiter erh ht so vergr ert sich die Nukleationsmode bei gleichzeitiger Abnahme der Akkumulationsmode Bei einer Absenkung des Raildruckes nimmt die Akkumulationsmode deutlich zu und die Nukleationsmode deutlich ab Bei 850 bar und darunter verschwindet d
33. 1 2 S 127 132 2004 Rothe D F I Zuther E Jacob A Messerer U P schl R Niessner C Knab M Mangold C Mangold New Strategies for Soot Emission Reduction for HD Vehicles SAE Technical Paper Series 2004 01 3024 2004 Rothe D A Pappenheimer R L mmerman E Jacob Ein Abgasnachbe handlungssystem f r Euro 4 bei Nutzfahrzeugmotoren MTZ Motortechnische Zeitschrift 66 Heft Juni S 444 459 2005 Messerer A D Rothe R Nie ner U P schl Kinetische Betrachtungen und Modellrechnungen zur kontinuierlichen Regeneration von NFZ Dieselru partikel abscheidesystemen C T Chemie Ingenieur Technik 77 7 5 881 886 2005 Danksagungen Diese Arbeit entstand in der Zeit vom Juni 2000 bis Dezember 2004 bei der MAN Nutzfahrzeuge AG in N rnberg in der Motorenvorentwicklungsabteilung Die wissenschaftliche Leitung oblag Herrn o Univ Prof Dr Reinhard Nie ner am Lehrstuhl f r Hydrogeologie Hydrochemie und Umweltanalytik Institut f r Wasserchemie und chemische Balneologie der Technischen Universitat M nchen Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Prof Reinhard Nie ner f r die interessante Aufgabenstellung und f r die gro en Freiheiten mit denen ich meiner Arbeit nachgehen konnte Ich m chte allen Mitarbeitern des Institutes danken die mich bei meiner Arbeit unterst tzt haben Dank geb hrt hier dem Leiter Herrn Dr Ulrich P schl sowie allen Mitgliedern der Aerosolforschungsg
34. 120 bei FTIR Untersuchungen von GfG Ru einen signifikanten Anteil an Sauerstoff C O und C O Banden Es wurde versucht dies durch die Aufnahme von Sauerstoff und Wasserver unreinigungen aus dem Argonstrom und durch den Versuchsaufbau zu erkl ren Die Sauerstoffaufnahme wird dabei durch die hohe Reaktivit t des GfG Ru es und dessen hohe spezifische Oberfl che gef rdert Wasserstoff wird neben Sauerstoff an den funktionellen Gruppen an der Ru oberfl che gebunden sein Der Anteil an Restbestandteilen von 1 bis 3 wird teilweise aus den verwendeten Graphitelektroden stammen Reinheit 99 9995 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 164 Der Sauerstoffanteil geht beim Vergleich zwischen dem alten und frischen GfG Ru leicht von 16 auf 14 zur ck und der Kohlenstoffanteil nimmt leicht von 80 auf 84 zu Es w re m glich dass teilweise die sauerstoffhaltigen oberfl chen funktionellen Gruppen w hrend der Alterung decarboxylieren wobei dann der Sauerstoffanteil zur ckgeht Die Ru probe des MAN Krans hat nur einen Kohlenstoffanteil von 51 einen Sauerstoffanteil von 25 und einen Ascheanteil von 20 Der Motor des Krans arbeitet nach dem M Verfahren Mittenkugel Das M Verfahren ist ein direktein spritzendes Verfahren Der Kraftstoff wird hierbei direkt in den Brennraum in einen kugelf rmigen Hohlraum im Zylinder gespritzt Ziel war hierbei eine m glichst gute Durchmischung des eingespritzten Kraftstoffes mi
35. 154 mbar Volllast Nenndrehzahl Daher liegen die PM Emissionen vor dem PM KAT h her als mit dem serienm igen Schalld mpfer dessen Gegendruck bei etwa 60 mbar liegt Der transiente Test kann am verwendeten Pr fstand mit Wasserbremse nur n herungsweise wiedergegeben werden Emissionen ESC ETC mg kWh vor nach Grenzwerte vor nach Grenzwerte PM KAT PM KAT EurolV PM KAT PM KAT EurolV PM 41 5 17 3 20 70 5 25 8 30 HC 90 20 460 140 30 550 CO 360 80 1500 600 90 4000 g kWh NO 2 9 3 5 3 3 3 5 Tabelle 16 Zusammenfassung der Zyklusergebnisse Eine Zusammenfassung der Zyklusergebnisse sowie die entsprechenden EurolV Grenzwerte zeigt Tabelle 16 Die EurolV Grenzwerte fur NOx HC CO sowie PM konnten deutlich unterschritten werden ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 140 Die f r die Gravimetrie verwendeten Filterproben wurden einer differenzierten Partikelanalytik unterzogen Beschreibung vgl 4 1 80 E Unl slich Ru lasche Sulfate amp Rest m Kraftstoff Ol PM mg kWh gt a D x amp o ESC vor PM Kat ESC nach PM Kat ETC vor PM Kat ETC nach PM Kat Abbildung 102 Ergebnisse der differenzierten Partikelanalytik im ESC und ETC vor und nach dem PM KAT System Das Ergebnis der differenzierten Partikelanalytik zeigt Abbildung 102 Es ist eine 70 80 ige Verminderung der kraftstoffgenerierten Kohlenwasserstoffa
36. 33 festzustellen die NO Emissionen reduzieren sich leicht um 4 Der schwedische ECOPAR Kraftstoff f hrt zu einer 18 igen Reduzierung der gravimetrischen PM Emissionen Die NO Emissionen reduzieren sich um 6 55 LL A100 B50 B 75 A 50 A 75 A 25 B100 B 25 C100 c 25 c75 C50 Basis mit VE und mit AGR Basis mit VE und ohne AGR Basis ohne VE und mit AGR A oO Russkonzentration mg m N N o oo ol f ol o 10 BE ner BE RE 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 1800 Laufzeit s Abbildung 52 Messungen der Ru konzentration mit PASS im ESC bei Vorunter suchungen mit Basiskraftstoff und verschiedenen Motorenpara metern AGR und Voreinspritzung In Abbildung 52 sind die Ergebnisse der Messung der Ru konzentration mittels PASS im ESC beim Basiskraftstoff mit und ohne zugeschalteter Abgasr ckf hrung AGR sowie mit und ohne Voreinspritzung VE zu sehen Ohne AGR ist nur eine sehr geringe Ru emission im Bereich zwischen 0 1 und 3 mg m nachweisbar Mit AGR liegen die Emissionen abgesehen von einzelnen Spitzen zwischen 1 mg m und 12 mg m Die Ru emissionsspitzen z B bei 240 s bei der Beschleunigung aus dem Leerlauf auf Volllast werden zum einen durch ein verz gertes Anlaufen des Turboladers Turboloch sowie durch die verwendete Wasserbremse ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 90
37. 558 y 0 999 Kn Knudsen Zahl Kn 22 Dp Mittlere freie Wegl nge des Gases u Gasviskositat dyne s cm W D sendurchmesser cm Die Stokes Zahl ist ein dimensionsloser Parameter der die Impaktion kennzeichnet Der elektrostatische Klassierer Die Aufgabe des elektrostatischen Klassierers ist es eine definierte Gr en fraktion von Partikeln monodisperse Fraktion aus einem eintreffenden poly dispersen Aerosolstrom zu extrahieren Im elektrostatischen Klassierer durchl uft das Aerosol eine Krypton Quelle die als bipolarer Auflader oder Neutralisator dient In diesem Neutralisator werden die Aerosolpartikel einer hohen Konzentration von bipolaren lonen ausgesetzt Die Partikel und lonen erfahren aufgrund der zuf lligen thermischen Bewegung der lonen h ufige St e untereinander Die Partikel erreichen dadurch schnell einen Gleichgewichtszustand bez glich ihrer bipolaren Ladungsverteilung Das aufgeladene Aerosol flie t vom Neutralisierer in den DMA Differential Mobility Analyser Der DMA besteht aus zwei konzentrischen Metallzylindern Das polydisperse Aerosol qa und Schleierluft qs Sheat Air werden am oberen Ende des Klassierers eingelassen und flie en durch den Zwischenraum der beiden Zylinder Das Aerosol umh llt den inneren Fluss der Schleierluft und beide flie en entlang der Zylinder als laminare Gasflusse ohne sich zu vermischen Der innere Zylinder Collector Rod innere Elektrode ist
38. EC Coulometriewerte mit den berechneten Rauch werten AVL 415S 5 4 Rauchmessger t Die Messung der Ru oder Rauchzahl erfolgt mit einem Schwarzrauchmessgerat Mit diesem Ger t kann der Ru gehalt im Dieselabgas auf photoelektrischem Weg mit Hilfe der Filterpapiermethode bestimmt werden Dabei wird die Eigenschaft des Ru es als grauer bzw schwarzer Absorber genutzt Organisch l sliche Anteile Aschen und Sulfate k nnen aufgrund Ihrer optischen Eigenschaften nicht bzw nur teilweise erfasst werden Mittels einer Entnahmesonde wird aus dem unverd nnten Abgas ein definierter Volumenstrom entnommen und durch ein spezielles Filterpapier gesaugt Die Dieselabgaspartikel lagern sich ab und verf rben das Filterpapier je nach Ru gehalt grau bis schwarz Der Schw rzungs grad wird mit einem Reflexionsphotometer erfasst und einer Schw rzungszahl SZ zugeordnet Eine 100 ige Reflexion entspricht einer Schw rzungszahl 0 eine 0 ige Reflexion der Schw rzungszahl 10 Die Einheit der Schw rzungszahl ist Bosch ber eine empirische Korrelation z B nach Mira 64 kann die Schw rzungszahl in eine Partikelemission umgerechnet werden Die Mira Korrelation stellt den PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 55 Zusammenhang zwischen der Partikelemission und der Boschzahl ber eine Polynomfunktion her SZ lt 1 Partikel mg m 1 0667 16 554 SZ 12 3543 SZ 1 74825 82 Gleichung 9 SZ gt 1 Partikel mg
39. Gesamtvolumen der eingespritzten Kraftstoffmenge zur Gesamtoberfl che aller Tr pfchen Eine verbesserte Zerst ubung des Dieselkraftstoffes kann auch zu einer fr heren und intensiveren Ru bildung im Brennraum f hren Diese ist nach Kapitel 2 5 3 mit einer Dehydrierung verbunden wodurch die Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff beschleunigt wird Dies hat einen schnelleren Druckanstieg im Brennraum zur Folge wobei auch die Verbrennungstemperatur ansteigt Die beschleunigte Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff f hrt auch zur Bildung von weiteren Radikalen OH O HO z Diese f rdern wiederum die Ru oxidation und damit den Abbau des Russes 94 Die gute reziproke ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 84 Korrelation der Schw rzungszahl mit der H he des Raildruckes Abbildung 45 und Abbildung 47 best tigt diese Aussage Die gute Korrelation des Akkumulations modenmaximums mit der Schw rzungszahl ist ein Indiz daf r dass die Akku mulationsmode berwiegend aus Ru partikeln besteht Der Anstieg der NO Emissionen mit zunehmendem Raildruck ist auf die Zunahme der Verbrennungs temperatur zur ckzuf hren vgl Kapitel 2 4 Eine weitere Erh hung des Einspritz druckes Raildr cke bis zu 2400 bar kann zu einer weiteren Verringerung der Ru partikelemission f hren wobei die Kurve bei etwa 1200 bar deutlich abflacht und dementsprechend keine nenenswerte Verringerung der Ru emission erreicht werd
40. Maximum der Gr enverteilung dieser Mode liegt bei modernen Nutzfahrzeugmotoren zwischen 40 und 80 nm bezogen auf Partikelanzahl DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 20 Somit kann die Verwechslung der Nukleationsmode mit der Akkumulationsmode zu der irref hrenden Aussage f hren dass modernere Motoren kleinere feste Partikel produzieren 2 5 3 Ru bildung Die klassische Ru bildungstheorie geht davon aus dass Ru durch Aufspaltung aliphatischer Kohlenwasserstoffe und Rekombination der Bruchst cke unter teilweiser Dehydrierung zu chemisch stabileren Einheiten entsteht Als Ausgangs basis f r die Entstehung von Partikeln wird Acetylen angesehen 23 Bei der Verbrennung werden die aliphatischen Kohlenwasserstoffe in die Radikale der kurzen C4 und Cz Kohlenwasserstoffe thermisch gespalten Pyrolyse W hrend dieses Prozesses der in mehreren Stufen abl uft bilden sich neben zahlreichen Nebenprodukten k rzere Radikale wie CH3 C2H5 und C3H7 deren Oxidation vom Sauerstoffgehalt der Umgebung abh ngt Abbildung 10 Das durch die Pyrolyse entstandene Acetylen stellt die Ausgangsbasis der Ru entstehung dar Beginnend mit einer Dimerisierung des Acetylens zu Butadiin werden durch Polymerisation und Ringschlu von Acetylen zyklische und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe PAK darunter Naphthalin und Anthracen gebildet Durch sukzessive weitere Anlagerung von Acetylen entstehen immer gr ere stabilere Molek
41. Nacheinspritzzeitpunktes fr her bzw sp ter erh hen sich das Maximum der Akkumulationsmode sowie der Rauchwert Auch eine Erh hung der Nacheinspritzmenge von 2mg auf 6 mg f hrt zu einer Erh hung der Rauchwerte sowie des Maximums der Akkumulationsmode Mit der Basiseinstellung ist somit ein Optimum der Nacheinspritzung hinsichtlich der Rauchwerte erreicht ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 83 PY fBosch f gwn NE 6mg 800s 0 44 Basis NE 2mg 2000us Tabelle 7 Schw rzungszahl und gasf rmige Emissionen bei einem ESC Station rpunkt 1800min 260 Nm mit AGR und Variation der Nacheinspritzung 8 2 3 Diskussion des Einflusses motorischer Parameter auf die Emissionen Die H he des Raildruckes und damit des Einspritzdruckes hat einen ent scheidenden Einfluss auf die Tropfengr e des eingespritzten Kraftstoffes und damit auch auf die Verteilung der Kraftstofftropfchen im Brennraum durch die zugef hrte Luft verbesserte Gemischbildung Je h her der Einspritzdruck desto kleiner werden die Kraftstofftr pfchen h here Kavitation bei gleich bleibender Geometrie der Einspritzd se z B von einem Sauterdurchmesser 93 von 18 um bei 300MPa auf ein Sauterdurchmesser von 8um bei 1200 MPa dementsprechend schneller k nnen sie verdampfen Der Sauterdurchmesser ist eine typische Gr e die die Verteilung der Tropfengr e im Einspritzstrahl beschreibt Er ist definiert als das Verh ltnis von
42. S OANA EAEE AEE AEA ONAE E EAE AEEA EAE eee 8 A _ ld ee E u bp JH il Hi ah ILM l AA UAD 0 120 240 360 480 a Laufzeit s Ru konzentration mg m ol o oo ol Integral der RuBkonzentration x1 0 Abbildung 106 Ru konzentrationsmessung mittels PASS vor und nach dem PM KAT System im ETC sowie integrale Ru konzentrationen Aus schnitt des innerst dtischer Teils In Abbildung 107 ist die gewichtete anzahlbezogene normierte und leistungs korrigierte PartikelgroRenverteilung vor und nach dem PM KAT sowie die ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 144 Abscheidungsrate im ESC dargestellt Das Maximum der Akkumulationsmode liegt vor dem PM KAT bei 43 nm und nach dem PM KAT bei 50 nm Eine eigen st ndige Nukleationsmode konnte nicht festgestellt werden Die anzahlbezogene Abscheidung lag im Bereich der Nukleationsmode bei 85 und im Bereich der Akkumulationsmode zwischen 78 und 85 30 100 P ora eee ee eee 90 T z ze ee 22 80 5 3 lt osd roh vor PM KAT f ff 70 nach PM KAT 2 Abscheidung 3 er E cee er WERNER WERNER er ee ee WERNER WERNE WERNER WERNER ee 2 10 60 5 5 2 2 lt Oo 0 j T T T T T T T T T T 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 107 Partikelanzahlgr enverteilung im ESC vor und nach dem PM KAT sowie Abscheidung ermittelt mit SMPS In Abbildung 108 ist e
43. Tangential Str mungen erzeugt die den Turbulenzgrad der Str mung erh hen 111 Die Partikel werden dabei berwiegend durch Diffusion und Impaktion abgeschieden Generell hat sich gezeigt dass eine Verdopplung der Abscheiderl nge bei den Systemen ohne Mikrokugelbeschichtung von 150 mm auf 300 mm zu einer etwa 20 30 igen Zunahme der Gesamtpartikelabscheidung f hrt Jedoch steigt auch der Abgasgegendruck Dies f hrt wiederum zu einer Erh hung der Ru roh emission des Motors durch eine Zunahme der AGR Rate Wird die Zahl der ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 146 Module bei 150 mm L nge von einem ber zwei parallel auf drei erh ht steigen Abscheidevolumen und Anstr mfl che und der Abgasgegendruck sinkt Die Ab scheidung erreicht bei zwei Modulen Ihr Maximum und sinkt bei drei parallelen Modulen wieder leicht ab Der Grund f r diesen Effekt ist die Kanalgeschwindigkeit Str mmungsgeschwindigkeit in den Kan len Sinkt diese zu weit ab bildet sich eine laminare Grenzschicht und es werden zu wenig abscheidewirksame Turbulenzen gebildet Vergleicht man eine mit Mikrokugeln beschichtete Abscheidestruktur mit einer unbeschichteten Struktur so findet man eine Zunahme der Partikelabscheiderate bei gleicher Lange Die Mikrokugel beschichtung vgl 8 4 2 2 erh ht die Oberfl chenrauhigkeit der Filterstrukturen damit k nnen sich schneller abscheidewirksame Turbulenzen in der Struktur ausbilden die die laminare
44. Verd nnung Abk hlung des Abgases und berschreitung des S ttigungsdampfverh ltnisses homogen nukleieren k nnen Untersuchungen von Mathis 83 haben gezeigt dass dieser Mode durch Einblasung von Kohlen wasserstoffen in das Dieselabgas ver ndert werden kann wobei der Bereich der Akkumulationsmode unver ndert bleibt Sakurai et al 89 fanden im Abgas eines Nutzfahrzeugdieselmotors bei Untersuchungen mittels TDPBMS Thermal Desorption Particle Beam Mass Spectrometer und TDMA Tandem Differential ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 76 Mobility Analyzer bis zu 95 unverbrannte motoren lgenerierte Kohlenwasser stoffanteile im Bereich der Nukleationsmode Teilweise wurden auch Partikel mit festem Kern Ru oder Metalloxide und schwerfl chtige Kohlenwasserstoffe im Bereich weniger Nanometer gefunden Gruber 90 fand ebenfalls den in dieser Arbeit 8 1 1 beschriebenen Einfluss des Verd nnungsverh ltnisses auf die Nukleationsmode Bei geringem Anteil an kondensierbaren Substanzen lagern sich diese an die bestehenden Partikel der Akkumulationsmode an Bei einem h heren Anteil an kondensierbaren Substanzen bilden diese eine Nukleations mode Mit zunehmendem Verd nnungsverh ltnis nimmt diese eigene Mode stark ab Gruber konnte zeigen dass durch den Einsatz eines Thermodenuders die Nukleationsmode g nzlich entfernt werden konnte Diese Bebachtungen sind deutliche Indizien daf r dass die Nukleationsmode aus Kohl
45. beim Dieselmotor Legende 1 Ansaugtakt 2 Kompressionstakt 3 Arbeitstakt 4 Auslasstakt 6 Ein Takt muss nicht zwingend von Totpunkt zu Totpunkt dauern sondern kann zum Erreichen bestimmter Ziele Emissionsverminderung Ger uschminderung Verbrauchsoptimierung usw verk rzt oder verl ngert werden Der Dieselmotor wird im Allgemeinen als Viertaktmotor betrieben Moderne Dieselmotoren k nnen durch die Art der Zufuhr der Ansaugluft durch die Art der Kraftstoffzufuhr und durch die Art der Erzeugung des Einspritzdruckes unterschieden werden Wird die Luft nur durch die Kolbenbewegung angesaugt so spricht man von einem Saugdieselmotor Bei einem Turbodiesel wird durch einen Turbolader die Ansaugluft vorverdichtet so dass der Brennraum mit berdruck gef llt wird Damit kann im Arbeitstakt mehr Kraftstoff umgesetzt werden und der Motor kann mehr Leistung erzielen Der Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter die auf einer Welle angebracht sind Die Turbine wird durch das Abgas angetrieben der Verdichter verdichtet die Ansaugluft Aufgrund der Vorver dichtung der Ladeluft erw rmt sich diese stark und sollte deshalb wieder gek hlt werden um dem Motor eine gr ere Luftmasse und damit Sauerstoff zur Verf gung stellen zu k nnen Dies geschieht im Ladeluftk hler Abbildung 3 DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN T 8 150 C 50 C Abbildung 3 Abgasturbolader mit Ladeluftk hlung Legende 1 Ansaug
46. bereinander liegenden polyzyklischen aromatischen Verbindungen je etwa 100 Ringe DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 24 aufgebaut in denen die Kohlenstoffatome hexagonal angeordnet sind W hrend der PAK Bildung entsteht aus einigen spontan gebildeten aromatischen Ringen ein Wabennetz in dem die Sechsringe gelegentlich ber F nfecke verbunden sind da der Ru bildungsprozess bei der Verbrennung in sehr kurzer Zeit abl uft Auf diese Weise erh lt die sonst ebene Struktur der Sechsringe eine Kr mmung welche f r die ann hernd kugelf rmige Gestalt der Prim rpartikel verantwortlich ist a z ER Kristaltit b as aha paket Geschnittene Ru prim rpartikel 1 5 2 nm Gitterebere Abbildung 12 Aufbau eines Prim rpartikels a Schnitt durch einen Prim rpartikel b Aufbau eines Kristallitpaketes 26 Diese Prim rpartikel haben einen Durchmesser von etwa 10 bis 40 nm Ein Prim rpartikel mit einem Durchmesser von 20 nm enth lt ca 400000 Kohlenstoff atome Durch Zusammenschl sse bilden sich Agglomerate lose r umlich ver zweigte Ketten die aus mehreren tausend Prim rpartikeln bestehen k nnen Im DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 25 Unterschied zu Prim rpartikeln k nnen Partikelagglomerate je nach Entstehungs prozess und Zusammensetzung stark unterschiedliche Morphologie aufweisen Neuere Untersuchungen deuten darauf hin dass sich bei moderneren Motoren mit h heren Einspritzdr cken und Abgasr ckf hrung di
47. bestimmt sondern unter Annahme von Konversionsraten SO2 zu SO3 von 1 8 f r die Rohemission und 80 f r die Emission nach PM KAT berechnet ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 123 140 Sulfat berechnet 120 BMW org unl slich EMW org l slich 100 80 mg kWh 60 40 20 ESC roh ESC nach PM KAT ETC roh ETC nach PM KAT Abbildung 83 Gemessene Mittelwerte bzw berechnete Partikelzusammensetzung vor und nach dem PM KAT System in ESC und ETC 0 016 A 100 0 014 80 gt E 0 01 40 T c 5 3 D PASS vor PM KAT D zum PASS vor PM KAT 1 Wah 20 ae PASS nach PM KAT 2 2 0 006 Abscheidung 0 lt 4 a 0 004 20 0 002 40 0 T T T 60 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Zeit s Abbildung 84 Kohlenstoffemission vor und nach dem PM KAT System im ESC sowie Abscheidung im ESC gemessen mit PASS ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 124 In Abbildung 84 ist die mit dem PASS bestimmte Kohlenstoffemission vor und nach dem PM KAT System im ESC zu sehen Weiterhin ist der Kohlenstoffumsatz dargestellt Die Probenahme erfolgte mittels Verd nnungstunnel Das dargestellte PASS Rohsignal in mV ist direkt proportional zur Ru konzentration elementarer Kohlenstoff in mg m Die Rohmessung wurde wiederholt und zeigt eine gute Reproduzierbarkeit Die
48. der Stickoxidemission kann die Sauerstoffkonzentration und die lokale Verbrennungs temperatur durch Zumischen eines inerten Gases in Form von r ckgef hrtem Abgas gesenkt werden vgl 6 1 3 2 5 Partikelf rmige Emissionen 2 5 1 Zusammensetzung und Struktur von Dieselabgaspartikeln Ru partikel die bei der dieselmotorischen Verbrennung entstehen bestehen aus mehreren kugelf rmigen Kohlenstoffpartikeln die als Prim rpartikel bezeichnet DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 15 werden und einen Durchmesser von 10 40 nm aufweisen Durch Koagulation werden Prim rpartikel zu Agglomeraten verbunden Diese stellen die weitaus gr te Fraktion im Abgas und kommen sowohl in kompakten als auch in verzweigten Formen vor Der Zusammenhalt zwischen den Prim rpartikeln in den Agglomeraten Abbildung 7 erfolgt unter Mitwirkung der van der Waals schen Kraft der elektrostatischen Kraft und der Oberfl chenspannung der an den Partikeln absorbierten Substanzen Untersuchungen ber die innere Struktur von Prim rpartikeln haben in den letzten Jahren gro e Fortschritte erzielt 100 nm es nf Abbildung 7 TEM Aufnahme eines Ru partikelagglomerates 12 Die Bezeichnung Dieselabgaspartikel beinhaltet eine komplexe Mischung verschiedener Substanzen Neben elementarem Kohlenstoff EC organischem Kohlenstoff OC und Sulfaten sind auch Aschebestandteile enthalten In Abbildung 8 ist eine typische Zusammensetzung von Dieselabgaspartikeln dar
49. ermittelten Kohlenstoffkonversionsraten liegen mit Ausnahme des Leerlaufs zwischen 40 und 65 Auftretende Spitzen w hrend der einzelnen Stufen werden durch das Umschalten des Verd nnungstunnels zwischen Mess und Bypassfilter verursacht Die Kohlenstoffemission im ETC ist in Abbildung 85 zu sehen Um den Einfluss der variablen Verd nnung auf die Konzentrationsmessung zu beseitigen wurde der Verd nnungstunnel mit einer Konstantverd nnung von 1 10 betrieben Die Integralwerte Summenwerte vor und nach dem System ergeben eine elementare Kohlenstoff Konversion EC von 50 Auf der Rohemissionsseite werden etwa 50 der gesamten elementaren Kohlenstoffmasse w hrend der ersten 600 s innerst dtischer Teil des ETC emittiert Weitere 38 der Gesamt emission werden im berlandteil 600 1200 s sowie 12 im Autobahnteil 1200 1800 s emittiert Einen Ausschnitt aus dem innerst dtischen Teil des ETC zeigt Abbildung 86 Es ist die deutliche D mpfung von Emissionsspitzen bei den Beschleunigungsvorg ngen zu erkennen Zum Teil werden 70 des elementaren Kohlenstoffes abgeschieden Ein Blow Off d h ein Wiederabl sen von bereits abgeschiedenem Ru konnte mit dem PASS System nicht beobachtet werden ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 2 1 25 1 8 1 6 4 4 b 77
50. lag ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 147 In 8 4 2 2 wurde ein PM KAT System der Firma Oberland Mangold das in einem seriennahen Schalld mpfer verbaut war vermessen Die Abscheidestrukturen waren dabei mit einer Mikrokugelbeschichtung versehen Die Mikrokugel beschichtung soll die Oberfl chenrauhigkeit und damit auch die Partikel abscheidung erh hen In 107 konnte gezeigt werden dass die initiale Erh hung der Oberfl chenrauhigkeit zu einer verbesserten Abscheidung f hrt Prinzipiell l sst sich sagen dass ein direkter Vergleich zwischen den Modulen die in einem Wechselschalld mpfer verbaut sind wie in 8 4 2 1 mit Systemen die in serien nahen Schalld mpfer verbaut sind nicht direkt m glich ist Im seriennahen System ist der Bauraum begrenzt und der Abgasstrom wird mehrfach umgelenkt Dadurch k nnen sich die Stromungsverhaltnisse und damit auch die Anstromung der Module ver ndern Die gravimetrische Abscheidung des untersuchten Systems lag bei nur 30 45 im ESC ETC Der verwendete Versuchsmotor wies eine Euroll Serienauslegung auf und damit eine entsprechend hohe Rohemission im Vergleich zu einem Motor mit EurolV Niveau Erwartungsgem konnten deshalb nach dem PM KAT keine EurolV Grenzwerte erreicht werden Der Euroll Motor ist nicht f r den transienten ETC Test ausgelegt und weist entsprechend ein relativ hohes Rohemissions niveau in diesem Test auf Aufgrund des erreichten Partikelreduktionspotenti
51. m 3 09016 31 3069 SZ 0 485177 SZ 2 5841 SZ Bei hohem SOF Anteil oder im Bereich sehr kleiner Schw rzungszahlen kann die ber die Mira Korrelation ermittelte Partikelemission deutlich von der realen Gesamtpartikelemission abweichen Von der Fa AVL sind verbesserte Rauch messger te f r Niedrigemissionen verf gbar AVL 415S die anstelle der Schw rzungszahl eine so genannte Filter Smoke Number FSN bestimmen In dieser Arbeit wurden zur Umrechnung der Schw rzungszahl SZ und Filter Smoke Number FSN in Ru konzentrationen folgende Formeln verwendet 65 66 Ru konzentration FSN mg m 12 2 FSN exp 0 38 FSNI Gleichung 10 RuBkonzentration SZ mg m 0 017407 SZ Bosch exp 0 271 SZ Bosch KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 56 6 Konzepte zur Emissionsminderung f r schwere Nutzfahrzeuge Die zunehmende Versch rfung der europ ischen Emissionsgrenzwerte soll zu einer Verringerung bzw Begrenzung der sch dlichen Auswirkungen des G ter transportverkehrs auf die Umwelt f hren Die Unterschreitung der Eurolll Grenz werte konnte noch ber die Optimierung bzw Einflussnahme auf den Verbrennungsvorgang erzielt werden Die noch niedrigeren EurolV bzw EuroV Grenzwerte scheinen durch rein motorische Ma nahmen nicht mehr erreichbar zu sein Insbesondere der Zielkonflikt zwischen verringerten Stickoxidemissionen und Partikelemissionen erschwert die Motorenentwick
52. nahmen z B Verschiebung der Haupteinspritzung etwas anzuheben Dies w rde zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauches f hren Der Einflu verschiedener Motoren le auf das Emissionsverhaltens eines Diesel motors wurde in Kapitel 8 3 2 untersucht Der Einfluss der verschiedenen Motoren le auf die Partikelgr enverteilung ist gering Im Akkumulationsmode liegt das Maximum beim aschearmen Motoren l etwa 15 ber dem der beiden anderen le Das aschefreie und das aschearme l zeigen im untersuchten Messbereich keine Nukleationsmode w hrend beim Standardmotoren l eine Nukleationsmode zu erkennen ist Leider war der Messbereich im verwendeten Aufbau nicht geeignet die Nukleationsmode komplett zu erfassen Die Bildung der Nukleationsmode beim Standardmotoren l kann durch die etwa 5 mal h heren Konzentration an Aschebildnern Ca Zn im l verursacht werden die in diesem Fall als Kondensationskerne dienen k nnen an denen sich Kohlen wasserstoffe anlagern heterogene Nukleation 21 Durch den Zusatz von 1 Motoren l zum Dieselkraftstoff ndert sich die Verteilung sehr stark Es ist eine starke berlagerung einer ausgepr gten ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 107 Nukleationsmode ber die Akkumulationsmode zu erkennen Das Maximum dieser Moden ist etwa 20 mal h her Diese Verteilung wird durch durch eine Kondensation des hohen Anteils an unverbrannten l ngerkettigen Kohlenwasser stoffen aus d
53. sich das Maximum der Nukleationsmode um ca 30 Das Maximum der Akku mulationsmode ist beim aschearmen Motoren l und dem schwefelfreien Diesel kraftstoff etwa 10 h her als bei den anderen Betriebsstoffen In Abbildung 63 sind die Stufenmittelwerte der Ru konzentration Rohabgas im ESC bei den verschiedenen Betriebsstoffen ohne Oxidationskatalysator zu sehen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 101 Die Ru emission liegt mit Ausnahme der beiden Volllastpunkte B 100 und C 100 zwischen 2 5 mg m und 4 5 mg m Bei Drehzahl B 100 liegen die Emissionen zwischen 4 5 mg m und 6 mg m bei Drehzahl C 100 zwischen 8 mg m und 11 mg m 12 5 ne aa aac a a a ak a E Aschearmes l und lt 10 ppm S DK 10 E Aschearmes Ol und 50 ppm SDK Oe ee ee eee tee eae eee ee EBasis l und lt 10 ppm S DK z Bolg dee iededededeeedeeeseees mBasis l und 50 ppm S DK 2 Ru konzentration Rohabgas mg m A25 A50 A75 A100 B25 B50 B75 B100 C25 C50 C75 C100 ESC Stufe Abbildung 63 Ru konzentrationsmessung mittels PASS im ESC bei den verschiedenen Betriebsstoffen Stufenmittelwerte ohne Oxidations katalysator Die hohe Ru emission bei Punkt C 100 wird wie bereits fr her erl utert durch ein verz gertes Anlaufen des Turboladers Turboloch bei der Beschleunigung aus dem Leerlauf heraus verursacht sowie verz gerte Regelung der verwendete
54. 0 Laufzeit s Abbildung 56 Ergebnisse der RuBkonzentrationsmessungen mit PASS im ESC bei den verschiedenen Dieselkraftstoffen Durch die Verwendung von MK1 Dieselkraftstoff sowie NExBTL kann die Gesamt partikelemission um ber 30 reduziert werden Aufgrund der mangelnden Verf gbarkeit Produktionsst tten des hydrierten Biodiesels ist zur Zeit eine breite Verwendung fraglich Eine Bemischung zum Tankstellendiesel von z B 10 ist m glich diese zeigt jedoch keine Reduktion der Gesamtpartikelemission Denkbar ware die Verwendung des hydrierten Biodiesels z B bei kommunalen Verkehrs betrieben um die innerst dtischen Partikelemissionen zu reduzieren 8 3 2 Einfluss verschiedener Motoren le An einem Euroll Motor MAN D2866 LF30 31 11 97 291kW wurden 3 Motoren Ole mit unterschiedlichem aus dem Additivbestandteilen gebildeten Ascheanteil aschefrei aschearm und Standard untersucht sowie ein Versuch mit einer Beimischung von 1 Motoren l zum Kraftstoff unternommen 97 Durch den normalen Motorbetrieb k nnen bis zu 0 5 Motoren l in den Dieselkraftstoff gelangen Einen berblick ber die durchgef hrten Versuche gibt Tabelle 9 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN Versuch Motoren l lzusatz zum DK 1 Fuchs AF 2 Shell M 1523 3 Shell Rimula Ultra 4 Fuchs AF 1 Shell Rimula Ultra Tabelle 9 Ubersicht der durchgefiihrten Versuche 94 Es wurden Messungen
55. 0 Partikel cm von Bedeutung Das in dieser Arbeit verwendete Model besitzt eine Koinzidenzkorrektur in Echtzeit Diese basiert auf Gleichung 8 N N exp N O tp Gleichung 8 mit folgenden Parametern Na aktuelle Konzentration Partikel cm Ni indizierte Konzentration Partikel cm Q 16 67 cm s CPC Flussrate tp 0 4 us Verweilzeit jedes Partikels in Messvolumen PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 51 In Tabelle 5 ist die berechnete Koinzidenz 1 N Ni f r verschiedene Konzentrationen aufgef hrt Konzentration Berechnete Partikel cm Koinzidenz 10 gt 0 01 100 0 07 1000 0 67 5000 3 5 10000 7 4 Tabelle 5 Koinzidenzen f r verschiedene Konzentrationen 5 3 Photoakustischer Ru sensor PASS Die photoakustische Ru detektion beruht auf dem Prinzip der Absorption von monochromatischem Licht durch Ru partikel Die Ru partikel geben die auf genommene Energie in Form von W rmestrahlung ab Lock in Verst rker Laserstrom En E versorgung E E E I u Bypass Filter Abbildung 27 Aufbau des Photoakustischern Ru ensors 58 59 Wird die Strahlungsquelle dabei mit einer konstanten Frequenz moduliert so bildet sich eine stehende Schallwelle Druckwelle aus 60 63 Durch einen akustischen Resonator l sst sich die Schallwelle durch ein Mikrophon detektieren und die induzierte Spannung in Millivolt ist direkt proportional zur Massen konzent
56. 02 Ahlstr m F A I C U Odenbrand Combustion Characteristics of Soot Deposits from Diesel Engines Carbon 27 S 475 483 1989 Gilot P P Bonnefoy F Marcuccilli G Prado Determination of Kinetic Data for Soot Oxidation Modelling of Competition Between Oxygen Diffusion and Reaction During Thermogravimetric Analysis Combustion and Flame 95 S 87 100 1993 P Bonnefoy P Gilot B R Stanmore G Prado A Comparative Study of Carbon Black and Diesel Soot Reactivity in the Temperature Range 500 600 C Effect of Additives Carbon 32 S 1333 1340 1994 Lur e B A A V Mikhno Interaction of NO with Soot Kinetics and Catalysis 38 S 535 543 1997 Choi K Y N Cant D L Trimm Gasification of Carbonaceous Particulates J Chem Technol Biotechnol 71 S 57 60 1998 Ehrenburger P J F Brilhac Y Drouillot V Logie P Gilot Reactivity of Soot with Nitrogen Oxides in Exhaust Stream SAE Technical Paper Series 2002 01 1683 2002 Ciambelli P V Palma P Russo S Vaccaro Deep Filtration and Catalytic Oxidation An Effective Way for Soot Removal Catalysis Today 73 S 363 370 2002 Jacquot F V Logie J F Brilhac P Gilot Kinetics of the Oxidation of Carbon Black by NO Influence of the Presence of Water and Oxygen Carbon 40 S 335 343 2002 Walde F Untersuchung der chemischen Deaktivierung von Dieselabgaskatalysatoren an einem daf r entwickelten Modellgas
57. 1 Variation des Einspritzbeginns 444444444HHnnennnnnnennnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnnnnne nn 58 6 1 2 Erh hung des Einspritzdruckes COMMON RAIL 224442 22400 nnnnnnnennnnnnne nenn 58 6 1 3 Abgasr ckf hrung 24 24 inne hin T E nla A 60 6 2 ABGASNACHBEHANDLUNG 2 cceecceceeececeeeeeeeeceaeeecaaeeeeaaeesaeeesaeeeeaeeseeeeessaeeesiaeeneseeeaas 61 6 2 1 Dieselpartikelfilter r 2a 61 6 2 2 Filtration secant cei Hl En 62 6 2 3 Das PM KAT SySstem hnsennkei ea nn a nenne 66 6 2 4 SCR System aale r aes RE 68 6 3 BETRIEBSSTOFFQUALITAT o Aa iii 69 7 AUFGABENSTELLUNG 2 2 22220 4 anne Hanne tun nach nn tan Seasann in aaen 70 7 1 PRUFSTANDSUNTERSUCHUNGEN ZUR EMISSIONSMINDERUNG uunsnssssssnnsnennnnnennnnnnn nen 70 7 2 LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION uuunsnnnensnsnnsnennnnnnnnnnennnnsnnnnnnnnnnennnnennnn 70 8 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PRUFSTANDSUNTERSUCHUNGEN 71 8 1 CHARAKTERISIERUNG VERSCHIEDENER PROBENNAHMESYSTEME 22 ceeeeeeeeeeeeseeeeeenees 71 8 1 1 Einfluss der Abgasverd nnung auf die Partikelgr enverteilung 71 8 1 2 Einfluss der Probennahmestelle auf die Partikelanzahlgr enverteilung 72 8 1 3 Diskussion Einflu der Probennahme auf die Partikelanzahlgr enverteilung 75 8 2 EINFLUSS MOTORISCHER PARAMETER uununseesseennnnnnnnnnensnnnnnennnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnn
58. 2 Die motorische Verbrennung Die vollst ndige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen liefert nach folgender Reaktionsgleichung Wasser und Kohlendioxid CH mo n CO 5 H 0 Der Sauerstoff f r die Verbrennung wird aus der angesaugten Luft geliefert Ein typischer Dieselkraftstoff besteht zu 86 4 Gew aus Kohlenstoff und zu 13 1 Gew aus Wasserstoff Luft enth lt bei 22 C und 50 relativer Luft feuchtigkeit 23 Gew Sauerstoff Das optimale Luft Kraftstoff Verh ltnis betr gt f r eine vollst ndige Umsetzung nach obiger Reaktionsgleichung 14 6 kg Luft f r die Verbrennung von 1 kg Kraftstoff Dieser Wert bezeichnet das theoretische Mischungsverh ltnis Der Motor wird aber in der Praxis meist mit Mischungs verh ltnissen betrieben die von den theoretischen Mischungsverh ltnissen abweichen Zur Charakterisierung des Kraftstoff Luft Verh ltnisses im Brennraum hat man das Luftverh ltnis A Lambda eingef hrt Es ist definiert als zugef hrte Luftmenge in kg st chiometrischer Luftbedarf in kg Mur 14 6 kg MBrennstoft Ist A lt 1 so spricht man von einem fetten Gemisch da mehr Kraftstoff vorliegt als verbrannt werden kann Bei A gt 1 ist das Gemisch mager In homogenen Gemischen in denen der Kraftstoff vollst ndig verdampft ist kann A folgende Werte annehmen Tabelle 2 DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 9 Beschreibung aa Das Gemisch ist zu fett und nicht mehr zundfahig lt untere ZUndgr
59. 2 getragenes WO3 V205 gelungen eine selektive katalytische Reduktion des NO zu N2 unter realistischen Bedingungen zu realisieren SCR Selective Catalytic Reduction 2NH3 2 NO O2 2N 3H20 Standard SCR Besonders im instation ren Betrieb kann hinter dem SCR Katalysator R Kat ein NH3 Schlupf auftreten der durch einen Platin Oxidationskatalysator O Kat nach 2NH3 1 O2 N2 3H20 beseitigt werden kann Als st rende Nebenprodukte sind bei h heren NH3 Konzentrationen N20 und NO nachweisbar 82 83 84 Harnstoffl sung Abbildung 38 V H RO System zur Stickoxidreduktion 82 Fur die Anwendung der SCR Technik bei Fahrzeugen kann Ammoniak aus einer mitgef hrten Harnstoffl sung durch einen Hydrolysekatalysator H Kat erzeugt werden 85 86 NH2 2CO H20 gt 2NH3 CO2 KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 69 Da die Reaktion von NO2 mit Ammoniak gem 2NH3 NO NO gt 2N2 3 H20 Fast SCR schneller als die Reaktion von NO mit Ammoniak ist kann die Effizienz durch Erh hung des NOz2 Anteils im Abgas noch durch einen vorgeschalteten Oxidationskatalysator V Kat erh ht werden 87 Das von der MAN Nutzfahrzeuge Gruppe verwendete SCR System GD KAT besteht somit aus 4 Katalysatoren Abbildung 38 6 3 Betriebsstoffqualit t Durch die Verwendung von hochwertigen Betriebsstoffen kann die Partikel emission von Dieselmotoren deutlich gesenkt werden Dieselkraft
60. 4 2 3 wurden verschiedene L ngen von PM KAT Abscheidemodulen der Firma EMITEC untersucht Bei einer Verdopplung der Abscheidel nge erh ht sich die gravimetrische Abscheidung um etwa 25 Wie bereits erw hnt f hrt eine Erh hung der Abscheidel nge zwangsl ufig zu einer Erh hung des Abgasgegen druckes und damit zu einer Zunahme der Rohemission Diese erh hte Roh emission wird durch eine Verdopplung der Abscheidel nge nicht vollst ndig aufgefangen deshalb f hrt die Verdopplung der Abscheidel nge nur zu einer 25 igen Reduzierung der Partikelemission Die Turbulenzen die zu einer Ablenkung und damit Abscheidung der Partikel f hren sind in Einlaufbereich der Abscheidestrukturen am gr ten Dementsprechend ist die Abscheidung im Einlaufbereich der Struktur am gr ten Ein erh hter Abgasgegendruck f hrt zu einer Zunahme des Kraftstoffverbrauches Es muss somit ein Optimum zwischen notwendiger Abscheidung und Abgas gegendruck und damit Kraftstoffverbrauch gefunden werden Weiterhin spielen nat rlich der zur Verf gung stehende Bauraum f r den Schalld mpfer und die Kosten eine Rolle In diesen Fall hat sich f r ein System mit 150 mm L nge das Optimum ergeben Von den Systemen mit 225 mm und 300 mm L nge wurden die anzahlbezogene Partikelgr enverteilung und daraus die Abscheidung bestimmt In beiden F llen ist vor dem PM KAT System eine ausgepr gte Nukleationsmode zu erkennen Diese ist nach dem PM KAT System um 80 95 reduzi
61. 9 96EG des Europ ischen Parlaments und Rates vom 13 Dezember 1999 niedergelegt 4 Seit 1999 ist die dritte Stufe Eurolll dieses Reduktionsprogramms erreicht Weitere Reduktions stufen treten 2005 EurolV und 2008 EuroV in Kraft Die Grenzwerte der einzelnen limitierten Abgaskomponenten sind in Tabelle 3 und Tabelle 4 zu sammengefasst DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 10 Emissionsgrenzwerte f r ESC und ELR Pr fungen g kWh Kohlenmonoxid CO Kohlenwasser stoffe HC Stickoxide NOx Partikel Tr bung m Eurolll 2000 2 1 0 66 5 0 0 1 0 8 EurolV 2005 1 5 0 46 3 5 0 02 0 5 EuroV 2008 1 5 0 46 2 0 0 02 0 5 EEV gt 2008 1 5 0 25 2 0 0 02 0 15 Tabelle 3 ESC Grenzwerte der Richtlinie 1999 96 EG f r Nutzfahrzeuge in der EU ELR European Load Response EEV Enhanced Environmental Friendly Vehicles 4 Emissionsgrenzwerte f r ETC Pr fungen g kWh Kohlenmonoxid CO Kohlenwasser stoffe HC Stickoxide NO Partikel Eurolll 2000 5 43 0 78 5 0 0 16 EurolV 2005 4 0 0 55 3 5 0 03 EuroV 2008 4 0 0 55 2 0 0 02 EEV gt 2008 4 0 0 40 2 0 0 02 Tabelle 4 EU 4 ETC Grenzwerte der Richtlinie 1999 96 EG fur Nutzfahrzeuge in der Es ist anzunehmen dass ber d
62. Aerosol Science and Technology 15 S 107 111 1991 Haisch C Benutzerhandbuch zum Photoakustischen Ru sensor Prototyp f r MAN M nchen 2002 ABEME Abschlu bericht Abgaspartikelmessverfahren zur Bewertung von Fahrzeugen mit Minimalemissionen VFI Frankfurt 2003 Adams K M Real Time in Situ Measurements of Atmospheric Optical Absorption in the Visible via Photoacoustic Spectroscopy 1 Evaluation of photoacoustic cells Applied Optics 27 S 4052 4056 1988 LITERATUR 187 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 Petzold A R Niessner Photoacoustic Soot Sensor for In situ Black Carbon Monitoring Applied Physics B 63 S 191 197 1996 Arnott W P H Moosm ller C F Rogers Photoacoustic Spectrometer for Measuring Light Absorption by Aerosol Instrument Description Atmospheric Environment 33 S 2845 2852 1999 Kr mer L Z Bozoki R Niessner Setup Calibration and Characterisation of a Mobile Photoacoustic Soot Sensor Journal of Aerosol Science 31 Suppl 1 S S72 S73 2000 N N The Measurement of Diesel Exhaust Smoke Motor Industry Research Association England MIRA Report 1965 10 1965 Richter K H Schl gl X Haas Korrelationsbeziehungen zur Berechnung der gravimetrisch bestimmten Partikelemission Steyr Nutzfahrzeuge interner Entwicklungs bericht Nr 1161 Steyr sterreich 1993
63. BNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 92 Basis MK1 10 NExBTL gt 50 NExBTL 100 NExBTL e ECOPAR dN dlogDp 10 Partikel kWh 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 55 Ausschnittvergr erung der Akkumulationsmode f r die ver schiedenen Dieselkraftstoffe In Abbildung 56 sind die Ergebnisse der Ru amp konzentrationsmessungen mit PASS im ESC mit den verschiedenen Dieselkraftstoffen ohne ECOPAR dargestellt Es sind wieder allgemein die Beschleunigungspeaks verursacht durch das Turbo loch und die verwendete Wasserbremse zu erkennen Die Beimischung von 10 hydriertem Biodiesel zum Basiskraftstoff zeigt das h chste Ru emissions niveau Die Beimischung von 50 hydriertem Biodiesel senkt das RuRemissions niveau in den meisten Stufen auf das Basiskraftstoffemissionsniveau Die niedrigsten Ru emissionen zeigen der reine hydrierte Biodiesel NExBTL sowie der MK1 Dieselkraftstoff ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 93 LL A100 B 50 B 75 A 50 A 75 A 25 B100 B 25 C100 C 25 C 75 C 50 50 45 MK1 Diesel rare NExBTL 50 NExBTL 10 NExBTL E 35 Basis Diesel 2 304 T 25 D o 207 x S 154 10 a 2 ER ee Like le T 8 0 TN ee MIMI aIia 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 180
64. Der Injektor hat neben der Funktion der Kraftstoffzerst ubung auch die Funktion der ffnung der D sennadel mittels Magnetventil Durch einen Impuls des Steuerger tes an das Magnetventil im Injektor wird der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt Die eingespritzte Kraftstoffmenge wird durch die ffnungsdauer die Durchflusseigenschaften der D se und den System druck bestimmt Die bei der Einspritzung nicht ben tigte Kraftstoffmenge Steuer und Leckmenge des Injektors wird ber Leitungen in den Kraftstofftank zur ck gef hrt Dadurch dass bei dem Common Rail System der gew nschte Einspritzdruck von bis zu 2000 bar immer zur Verf gung steht kann mit dem System unabh ngig von der mechanischen Steuerung ber die Nockenwelle der Einspritzbeginn frei KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 60 gew hlt werden Dar ber hinaus besteht durch das sehr schnell schaltende Magnetventil die M glichkeit der Mehrfacheinspritzung Dies er ffnet eine fast beliebige Einspritzgestaltung mit Variation von Vor Haupt und Nacheinspritzung Die Einspritzgestaltung wirkt sich in erster Linie auf die Ger usch und Abgas emission aus Gerade in Bezug auf die Reduzierung der NO und Ru werte erm glicht das CR System bereits bei niedrigen Drehzahlen eine Anhebung des Drehmomentes ohne eine Zunahme der Rauchwerte Die Voreinspritzung dient vor allem der Ger uschreduzierung und die Nacheinspritzung der Reduzierung der Rauche
65. Die Bemischung von 1 Motoren l zum Dieselkraftstoff zeigt Uberraschenderweise eine bis zu 30 niedrigere Ru emission Dotierung mit Ca senkt Ru emission siehe Disskusion 8 3 4 60 LL A100 B50 B75 A50 A75 A25 B100 B25 C100 C25 C75 C50 50 Shell Rimula Ultra Shell M1523 aschearm Fuchs FES 0553 AF Fuchs FES 0553 AF 1 Shell Rimula Ultra im DK 25 N Russkonznetration mg m wo t 0 240 480 720 Zeit s 960 1200 1440 1680 Abbildung 60 Ru konzentration im ESC bei verschiedenen Motoren len gemessen mit PASS Hier liegt die Emission je nach Laststufe zwischen 2 mg m und 15 mg m Dies deckt sich mit den Schw rzungszahlmessungen SZ die in Abbildung 61 dar gestellt sind ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 98 8 2 60 ONOx EPM aus SZ 8 50 NO g kWh N o PM aus SZ g kWh 7 4 7 2 Shell Rimula Shell M1523 Fuchs FES 0553 AF 1 Shell Rimula im DK Abbildung 61 ESC Ergebnisse der Rauch SZ und NO Messungen bei den verschiedenen Motoren len 8 3 3 Einfluss verschiedener Betriebsstoffe sowie eines Oxi dationskatalysators Es wurde der Einfluss von 2 verschiedenen Dieselkraftstoffen schwefelarm 50 ppm S und schwefelfrei lt 10 ppm S und 2 verschiedenen Motoren len Basis l und aschefreies l auf die Partikelanzahlgr enverteilung im ESC untersucht Die Messungen erfolgten mit und ohne Oxidationska
66. Dieter Rothe Physikalische und chemische Charakterisierung der Ru partikelemission von Nutzfahrzeugdieselmotoren und Methoden zur Emissionsminderung Lehrstuhl f r Hydrochemie Hydrogeologie und Umweltanalytik der Technischen Universit t M nchen Physikalische und chemische Charakterisierung der Ru partikelemission von Nutzfahrzeugdieselmotoren und Methoden zur Emissionsminderung Dieter Rothe Vollst ndiger Abdruck der von der Fakult t f r Chemie der Technischen Universit t M nchen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften Dr rer nat genehmigten Dissertation Vorsitzender Univ Prof Dr M Schuster Pr fer der Dissertation 1 Univ Prof Dr R Nie ner 2 Univ Prof Dr J A Lercher Die Dissertation wurde am 15 11 2005 bei der Technischen Universit t M nchen eingereicht und durch die Fakult t f r Chemie am 01 02 2006 angenommen Ver ffentlichungen Jacob E W Gotre D Rothe F Rammer K Richter Einflu des Motoren ls auf die Emissionen von Dieselmotoren mit Abgasnachbehandlung H P Lenz Hrsg 22 Internationales Wiener Motorensymposium 28 29 April 2001 Fortschritt Berichte VDI Reihe 12 Nr 455 Band 1 D sseldorf VDI Verlag S 286 301 2001 Jacob E N D Alfonso A D ring S Reisch D Rothe R Br ck P Treiber PM KAT Nichtblockierende L sung zur Minderung von Dieselru f r EurolV Nutz fahrzeugmotoren H P Lenz H
67. F Eisen konnte in dieser Probe mittels TXRF und Plasmaveraschung nicht detektiert werden Beim Mikrowellendruckaufschlu lag der Wert bei 2 ug f r die TXRF und 5 ug f r die ICP MS Kupfer wurde in Mengen zwischen 1 6 und 2 1 ug detektiert Zink wurde in der Probe zwischen 2 2 und 3 2 ug gefunden ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 154 8 5 2 Bestimmung des Sulfatanteils Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine verbesserte Methode zur Bestimmung des Sulfatanteils von Dieselabgaspartikeln auf Filterproben entwickelt Diese Methode wurde von der entsprechenden Fachabteilung zu einer MAN internen Anweisung Norm weiterentwickelt 114 Bei dieser Methode erfolgt der Extraktionsvorgang der Filterproben mittels ASE Dionex ASE 200 Die mit Dieselabgaspartikeln beladenen Filter werden gerollt und in Stahlzylinder verbracht Die Filterproben werden dann in der ASE bei 100 C und 100 bar mit hochreinem Wasser f r 10 min extrahiert Der Extraktionszyklus wird einmal wiederholt Der gewonnene Extrakt wird in einem Messkolben auf 50 ml aufgef llt Der Gehalt an Anionen der L sung wird ionenchromatographisch bestimmt 50 ul der L sung werden mittels Autosampler in den lonenchromatographen Dionex DX 500 verbracht Die einzelnen Parameter sind wie folgt S ule Vors ule AG11 und Trenns ule AS11 mit ASR Gradientenprogramm Eluent KOH Durchfluss 0 25 ml min Chromatographisches Modul Ofentemperatur 35 C Suppressor ASRS mit e
68. Fa TSI liegt das Detektions limit bei 0 003 um Bei diesem Modell wird das Dektektionslimit verbessert indem ein S ttingsdampfschleierstrom die Aerosolpartikel in das Zentrum der S ttigungs kammer f hrt wo die bers ttigung am gr ten ist Partikeldetektionseffizienzen f r verschiedene Kondensationskernz hler sind in Abbildung 26 dargestellt PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 50 08 t 7 Z hl G effizienz 05 g Model 3010 Model 3022 Model 3025 Model 3022 norm gt Model 3025 Keskinen _ Model 3010 6 6RH Partikeldruchmesser nm Abbildung 26 Zahleffizienzen fur verschiedene Kondensationskernzahler 56 57 Nachdem die Partikel auf eine optisch detektierbare Gr e angewachsen sind 2 3 um werden sie mittels Streulichtdetektion einzeln gez hlt Einzelpartikel z hlmode Die maximale Partikelkonzentration die so gez hlt werden kann betr gt 10 Partikel cm In diesem Bereich wird die Streuung jedes einzelnen Partikels detektiert Aus der Frequenz der Streupulse wird die Zahl der Partikel berechnet In diesem Modus gibt es einen Fehler aufgrund von Partikelkoinzidenz geben W hrend des Laserpulses k nnen 2 oder mehr Partikel hintereinander so im Strahlengang stehen dass sie sich berlagernund nur 1 Partikel detektiert wird Der Fehler ist vor allem in hohen Konzentrationsbereichen in der N he von 1000
69. Grenzschicht durchbrechen k nnen Dies erh ht die Gesamtpartikelabscheiderate um etwa 15 im Station rtest Die Partikelgr en verteilungsmessung der OM Struktur mit Streckmetall 3x300 Abbildung 74 zeigt vor dem PM KAT System eine stark ausgepr gte Nukleationsmode aus unverbrannten Kraftstoff und Motoren ltr pfchen vgl 8 1 3 Nach dem PM KAT konnte keine Nukleationsmode gemessen werden Die vor dem PM KAT System vorhandenen Kohlenwasserstofftr pfchen werden durch den Oxidationskatalysator oxidiert Durch die Verwendung eines schwefelfreien Dieselkraftstoffes lt 6 ppm S konnte weiterhin die Bildung einer Nukleationsmode aus Schwefels uretr pfchen nach dem PM KAT verhindert werden Bei der Abscheidungskurve wird dem entsprechend im Bereich der Nukleationsmode eine nahezu 100 ige Abscheidung erreicht Im Bereich der Akkumulationsmode sinkt die Abscheidung auf etwa 60 mit einem schwach ausgepr gten Filterloch bei etwa 100 nm Die bei der mit Mikrokugeln beschichteten Struktur bestimmten Partikelanzahlgr en verteilungen Abbildung 75 zeigen eine hnliche Verteilung wie die Struktur ohne Mikrokugelbeschichtung Abbildung 74 obwohl die Abscheidel nge von 300 auf 150 mm reduziert wurde Die Nukleationsmode wird durch den Oxidationskatalysator entfernt und die Partikelabscheidung im Bereich der Akkumulationsmode liegt beit etwa 60 bis 65 Dies deckt sich mit den Messungen der Gesamtpartikelabscheidung die im ESC bei 72
70. ISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 88 50 3 5 5 UIESUEENEERLEELENEENEENEENEENEENEENEENRENEENKENNERRENEERERE SRG BPMM OL 34 ENOx 40 WWi 3 3 35 QBN iu 00 0000 3 2 T 30 Be i A 31 4 25 Wi E E a u 308 fe a 20 8 E 8 E E EEE Eu 2 9 Z 1547 E E ET EE EE Eu 2 8 101 E EFE 1E 18 4E 2 7 5 W E 8E EEE EE Eu 2 6 0 T T T 2 5 10 NExBTL50 NExBTL 100 MK1 ECOPAR Basis NExBTL Kraftstoff Abbildung 50 Gravimetrische PM MT und NO Emissionen im ESC bei den verschiedenen Kraftstoffen mit VE und mit AGR I 5 tT EINOx GHC mCO 4 NExBTL i i Ki i l l 40 20 0 20 6 4 2 0 2 4 6 40 30 20 10 0 60 Partikelverminderung gravimetrisch NOx HC CO be Abbildung 51 Prozentuale nderung der limitierten Emissionen und des Kraftstoff verbrauches be bei den verschiedenen Kraftstoffen mit AGR und mit Voreinspritzung VE ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 89 Beim Vergleich zwischen dem Basis Dieselkraftstoff und dem reinen hydrierten Biodiesel erreicht man eine Gesamt PM Reduktion von 28 Die NO Emissionen reduzieren sich um 10 Beim finnischen MK1 Dieselkraftstoff ist eine Gesamt PM Reduktion von
71. Im Folgenden werden verschiedene Konzepte zur Abgasnachbehandlung bei Nutzfahrzeugen vorgestellt 6 2 1 Dieselpartikelfilter Es gibt viele M glichkeiten Partikel aus der Gasphase zu entfernen F r den Fall einer Anwendung als klassischer Dieselpartikelfilter sind einige technische Randbedingungen zu erf llen e Abgastemperaturbest ndigkeit bis 750 C und Spitzentemperaturen bis zu 1400 C bei der Regeneration e Massenbezogene Filtereffizienz von 90 sowie 99 f r die partikel anzahlbezogene Abscheideffizienz e M glichst geringer Abgasgegendruck um den Kraftstoffverbrauch nicht zu erh hen e Hohe Filterkapazit t zur Speicherung von Dieselru und lasche e Ausreichende thermische Speicherf higkeit e Robustheit KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 62 e M glichst geringe Gr e 1 2 x Hubraum e M glichst geringer Wartungsaufwand e Kein Eingriff durch den Fahrer notwendig Automatischer Betrieb Um eine ausreichende Wirtschaftlichkeit zu gew hrleisten sollte ein Filtersystem m glichst preiswert sein 6 2 2 Filtration Oberfl chenfiltration Der gebr uchlichste Weg Dieselpartikel aus dem Abgas zu entfernen erfolgt durch die Oberflachenfiltration cake filtration sieving In diesem Prozess werden die Partikel beim Durchstr men durch einen por sen Trager abgeschieden und bauen eine Filterschicht den Filterkuchen auf Dieser Filterkuchen ist selbst ein effektiver Filter zum Absc
72. Kohlenwasserstoffe werden teilweise gecrackt und in k rzerkettige Kohlenwasser stoffe umgewandelt die dann f lschlicherweise dem Kraftstoff zugeordnet werden vgl 4 1 Die mittels der Rauchmessger te im ESC bestimmten Ums tze liegen zwischen 60 und 70 Dies korreliert gut mit dem gravimetrisch ermittelten Wert Mittels PASS wurden im ESC Ums tze zwischen 65 und 75 bestimmt Der im ETC bestimmte integrale Umsatzwert lag bei 70 Da das PASS System nur den Umsatz an EC detektiert liegen hier die wirklichen Umsatzwerte h her als die gravimetrisch bestimmten Werte da nach dem PM KAT System gebildete Sulfate den gravimetrischen Umsatzwert verringern Die mittels SMPS bestimmten Abscheideeffizienzen lagen zwischen 60 und 90 Ausnahme war die Drehzahl A 100 Last hier lag die Abscheideeffizienz nur bei 50 Weiterhin verringert das verwendete PM KAT System die gasf rmigen HC und CO Emissionen um bis zu 90 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 151 Die in Abbildung 108 erhaltenen Unterschiede erkl ren sich durch die Unter schiedlichkeit der erfassten Messwertgr en Mit dem SMPS werden Anzahl konzentrationen bestimmt wohingegen der PASS massenbezogene Messwerte f r elementaren Kohlenstoff ausgibt Das SMPS bestimmt nur Anzahl und Gr e elektrischer Mobilit tsdurchmesser der Partikel unabh ngig von der Art Tr pfchen bzw fester Kern und Zusammensetzung Kohlenstoff Wasser Schwefels ure Kohlenwas
73. LF 40 Versuchsmotors mit EurolV Einstellung Die Probe wurde mit dem in 8 5 4 beschrieben Verfahren gesammelt Es wurden dabei ber Nacht 42 ESC Tests hintereinander gefahren GfG alt und frisch Hierbei handelt es sich um Ru der von einem Graphit funkenru generator GfG 1000 Fa PALAS Karlsruhe erzeugt und thermo phoretisch gesammelt wurde Der alte GfG Ru lagerte etwa 1 Jahr der frische wurde 2 Wochen nach der Probennahme vermessen GfG Ru wird als Modell substanz f r Dieselru eingesetzt da die physikalischen Eigenschaften weit gehend denen von Dieselru entsprechen 117 MAN Kran Dieser Ru wurde von einem alten Kran Motor MAN D1246 MV3A 8 3 I Baujahr 1978 gewonnen der im Leerlauf betrieben wurde Monarch77 Hierbei handelt es sich um einen synthetischen Flammru Cabot Corporation VW Ru Dieser Ru wurde im Leerlaufbetrieb an einem VW Transporter TDI 1 9 1 Besitzer IWC thermophoretisch gesammelt 8 5 6 Analyse einer Ru probe durch VW Eine mittels der in Kapitel 8 5 4 beschriebenen Methode gesammelte Ru probe wurde von VW Dr B Stoffregen Dr E Schriever Analytischer Service Wolfsburg analysiert Im Folgenden werden die verwendeten Methoden beschrieben sowie die ermittelten Ergebnisse pr sentiert 1 Gaschromatographische Bestimmung der Kraftstoff Schmier lanteile SOF Die Bestimmung der SOF wurde entsprechend der beiden IP Normen 442 99 und 443 99 durchgef hrt Die Extraktion von ca
74. MPS und Verd nnungstunnel untersucht Betriebsstoffe Shell Cleanlife Diesel 6 ppm S aschearmes Motoren l Bei einem Konstantpunkt ESC Stufe 3 1800 min 605 Nm 3 2 g kWh NO 1 2 mg m Rauch wurde das Verd nnungs verh ltnis des Tunnels zwischen 4 und 25 variiert _ oa _ l N _ o dN d log Dp Partikel cm 10 7 Verd nnung Elektrischer Mobilit tsdurchmeser nm Abbildung 39 Einfluss der Verd nnung auf die Partikelanzahlgr enverteilung Es erfolgten jeweils 2 Messungen pro eingestelltem Verd nnungsverh ltnis deren Mittelwerte in Abbildung 39 dargestellt sind Die Temperatur der verd nnten Abgasprobe lag zwischen 29 und 34 C ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 72 Man erkennt deutlich den Einfluss der Verd nnung auf die Partikelanzahlgr en verteilung Bei gering eingestellten Verd nnungsverh ltnissen ist die Nukleations mode sehr stark ausgepr gt Wird die Verd nnung erh ht geht dieser Mode stark zur ck 8 1 2 Einfluss der Probennahmestelle auf die Partikelanzahl gr enverteilung An dem unter 8 1 1 beschrieben Versuchsmotor wurde an 3 verschiedenen Stellen der Abgasleitung mit dem 2 stufigen Ejektorverd nnungssystem DI 1000 Fa DEKATI Konstantverd nnung 1 100 Temperatur der Verd nnungsluft in der ersten Stufe 200 C in der 2 Stufe bei Raumtemperatur bei zwei konstanten Betriebspunkten ESC Stufe 3 und 6 siehe 8 1 1 eine Abg
75. Motoren le auf die Partikelgr enverteilung und Ru konzentration im Abgas MAN interner Versuchsbericht MTV 306 04 N rnberg 2004 Neeft J P A M Makee J A Moulijin Catalytic Oxidation of Carbon Black I Activity of Catalysts and Classification of Oxidation Profiles Fuel 77 S 111 119 1997 Maricq M M R E Chase N Xu P M Laing The Effects of the Catalytic Converter and Fuel Sulfur Level on Motor Vehicle Particulate Emissions Light Duty Diesel Vehicles Environmental Science amp Technology 36 S 283 289 2002 Richter K W Gotre R Barbour W Kuddlich S Knittel Fuel Detergent Benefits in Modern Heavy Duty Diesel Vehicle Operating on S Free Diesel 5th International Colloquium Fuels Technische Akademie Esslingen Proceedings 2005 W J Bartz Hrsg S 113 120 2005 Kolke R K Schrewe S Steigert Partikelfilter und deren Beitrag zur Emissions minderung von Dieselfahrzeugen 3 Internationales Forum Abgas und Partikel emissionen AVL Deutschland 14 15 September 2004 S 261 273 2004 M ller K H P Frisse W Suter R Schernewski L Th ner B Reinsch Das Bosch Diesel Partikelfilter Ein neues Konzept auf Sintermetallbasis 3 Internationales Forum Abgas und Partikelemissionen AVL Deutschland 14 15 September 2004 S 275 285 2004 Skillas G Z Qiuan U Baltensperger U Matter H Burtscher The Influence of Additives on the Size Distribution and Compositio
76. RGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 150 ESC ETC und unterschreiten damit die EurolV PM Grenzwerte von 20 30 mg kWh In 8 4 2 4 wurde ein EMITEC PM KAT System das in einem seriennahen Schall d mpfer verbaut war vermessen Wie bereits erw hnt sind Ergebnisse aus Wechselschalld mpfersystemen nicht direkt mit kompakten Schalld mpfer systemen vergleichbar Der NO2 Umsatz ber den Oxidationskatalysator lag bei maximal 50 Aufgrund des temperaturabh ngigen NO NO3 gt Gleichgewichts geht die NO2 Konzentration bei Temperaturen ber 300 C zur ck Der h chste Umsatz von 50 wird bei etwa 325 C und einer Raumgeschwindigkeit von 150000 h erreicht Da die Messung der NO Konzentration bauartbedingt nach PM KAT erfolgte hat ein Teil des NO2 schon mit dem Kohlenstoff reagiert Der Kohlenwasserstoff und CO Umsatz ber den Oxidationskatalysator lag im Bereich zwischen 60 und 90 Der Umsatz der gasf rmigen Emissionen geht bei h heren Kanalgeschwindigkeiten trotz h herer Temperaturen zur ck Die Kontaktzeit zwischen dem Abgas und der Katalysatoroberfl che nimmt mit zunehmender Kanalgeschwindigkeit ab Die differenzierte Partikelanalytik zeigt eine 70 80 ige Verminderung der kraft stoffgenerierten Kohlenwasserstoffe Die motoren lgenerierten Kohlenwasser stoffe werden zu 85 90 vermindert Der Umsatz f r die kraftstoffgenerierten Kohlenwasserstoffe ist leicht h her Die l ngerkettigen motoren lgenerierten
77. Raum temperatur Den Aufbau am Motorenpr fstand zeigt Abbildung 19 Abgasleitung Probennahme berschu gas Verd nnungs system _ 1 Stufe Heizung Druckluft 2 Stufe berschu gas Messger t TSI GmbH DEKATI OY SMPS oder PASS Abbildung 19 Dieselabgasprobennahme mittels 2 stufigem beheizten Ejektor Verd nnungssystem 35 Es zeigten sich beim Betrieb am Motorenpr fstand Probleme die die Verwendung des Verd nnungssystems einschr nkten Aufgrund von Druckschwankungen in der Abgasleitung variiert das Verd nnungsverh ltnis bei einer Stufe zwischen 1 7 bis 1 12 Dementsprechend m sste es mitbestimmt z B durch Messung der CO Konzentration roh verd nnt und korrigiert werden Das bei einer zweistufigen Verd nnung erreichte Verd nnungsverh ltnis von 1 100 ist bei den neueren Motoren ab Eurolll Emissionsniveau deutlich zu hoch Um ein m glichst geringes Signal zu Rauschverh ltnis zu erhalten reichen meist Verd nnungsverh ltnisse zwischen 1 5 und 1 10 aus Dies ist mit dem in dieser Arbeit verwendeten MOTORENPR FST NDE 36 Verd nnungstunnel m glich Der Einsatz von nur einer Ejektorstufe zur Ver d nnung erfolgte nur in Ausnahmef llen da hierbei immer eine Bestimmung des Verd nnungsverh ltnisses notwendig war 3 4 3 Berechnung der ESC Partikelanzahlgr enverteilungen F r Aussagen ber eine mittlere Partikelanzahlemission w h
78. S Su J O Muller K Mullen C Simpson Z Tomovic C Knab M Mangold D Rothe E Jacob Katalytisches System zur filterlosen kontinuierlichen Ru partikelverminderung f r Fahrzeugdieselmotoren PM KAT Endbericht Forschungsprojekt 430 00 der bayerischen Forschungsstifftung M nchen 2005 Panne U R Neuhauser M Theisen H Fink R Niessner Analysis of Heavy Metal Aerosols on Filters by Laser induced Plasma Spectroscopy Spectrochim Acta B 56 S 839 850 2001 Theisen M Quellidentifizierung und Luftstaubanalytik unter Verwendung von Totalreflexions R ntgenfluoreszenz Spektroskopie Dissertation Technische Universitat M nchen 1999 Baumann H Accelerated Solvent Extraction ASE von Dieselpartikeln Extraktion des Sulfatanteils aus der organisch unl slichen Phase INSOF MAN interne Anweisung MTWV N rnberg TUC 23 002 2004 Rothe D S Kamm H Baumann E Jacob R Niessner U P schl Determination of the Sulfate Content of Diesel Exhaust Particulate Matter Journal of Aerosol Science 32 Suppl 1 S S75 S76 2001 Baumann H Accelerated Solvent Extraction ASE von Dieselpartikeln Bestimmung der organisch l slichen Phase SOF MAN interne Anweisung MTWV Nurnberg TUC 23 001 2004 Evans D E R M Harrison J G Ayres The Generation and Characterisation of Elemental Carbon Aerosols for Human Challenge Studies Journal of Aerosol Science 34 S 1023 1041 2003
79. TION unzzsusnsnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnannn 167 9 1 MODELLGASPR FSTAND uunessnnennsssnnnnnnssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 168 9 2 FTIR SPEKTROMETER UND KALIBRIERUNG uessssnneensssnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 170 9 3 OXIBATIONSEXPERIMENTE uu 2 2202442 Anand a anna nenne anne een 173 9 3 1 Versuchsdurchf hrung und Diskussion 4444444440sssnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 173 9 3 2 Reaktionskinetik need nk sen 175 9 3 2 1 Ratenkoeffizienten ru u enre ee ee rer 175 9 3 2 2 WaASSECFEINTIUSS he sttccctidzsccieueseceieis A enieskllikehee 177 9 4 ZUSAMMENFASSUNG uses EA EEN ENEE 179 10 ZUSAMMENFASSUNG DER ARBEIT UND SCHLUBFOLGERUNGEN cseeeees 180 11 CITERA TUR a a aa e a aA E aae aer aaant 183 ABKURZUNGSVERZEICHNIS XI Abkurzungsverzeichnis AGR ASE De CLD CPC CR CRT CLS DMA DPM EDC EC EEV ELPI ELR ESC ETC EU Fa FBR FID FSN GD KAT GC GC MS HC ICP MS ICP OES INSOF LDMA LII MFC Abgasr ckf hrung Accelerated Solvent Extraction spezifischer Kraftstoffverbrauch Chemolumineszenz Detektor Condensation Particle Counter Common Rail Continuous Regeneration Trap Classical Least Square Differential Mobility Analyzer Diesel Particulate Matter Electronic Diesel Control Elemental Carbon Enhanced Environmental Friendly Vehicle Electrical Low Pressure Impactor Europea
80. UN OMAN ru tl 0 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 1800 Laufzeit s Abbildung 105 RuBkonzentration im ETC vor und nach PM KAT bestimmt mittels PASS sowie integrale Ru konzentration ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 143 In Abbildung 105 ist die mittels PASS bestimmte Ru konzentrationsmessung im ETC vor und nach dem PM KAT System dargestellt Die Probennahme und die Abgasverd nnung erfolgten wiederum mittels Verd nnungstunnel Dieser war auf einen konstanten Verd nnungsfaktor von 1 10 eingestellt Zus tzlich sind die Integralwerte der Ru konzentration ber den ganzen ETC vor und nach dem PM KAT System dargestellt Es ist eine deutliche D mpfung der Ru emissionsspitzen nach dem PM KAT System zu erkennen Die mittels Integralwertes bestimmte Abscheidung ber den ganzen ETC liegt bei 70 In Abbildung 106 ist der innerst dtische Teil des ETC 0 600 s als Ausschnitt vergr erung dargestellt Im innerst dtischen Teil liegt der integrale Ru umsatz bei 80 Ru emissionsspitzen nach dem PM KAT werden stark vermindert Ein Blow off Reentrainment von bereits abgeschiedenem Ru konnte mittels PASS nicht detektiert werden vor PM KAT nach PM KAT MOQ ee Se nun oe Dh ete ec Pm ee 10 Integral vor PM KAT Integral nach PM KAT 90 4 1 toon 4 H 9 80 PERAE AEE SAAE A E ERA VAEA WER EREET EEEE soe SSeS
81. Weiterhin wurden verschiedene Methoden der chemischen Charakterisierung von Dieselabgaspartikeln organischer und elementarer Kohlen stoff lasche und Sulfate vorgestellt LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 167 9 Laboruntersuchungen zur Ru oxidation Die Untersuchung der Ru oxidation am realen Motor gestaltet sich schwierig da einzelne Reaktionsprozesse Abscheidung und Oxidation nicht zu trennen sind Die komplexe Abgaszusammensetzung Stickstoff Sauerstoff Stickoxide verschiedene Kohlenwasserstoffe Wasserdampf sowie die simultane Ru ab scheidung und oxidation machen ein detailliertes Studium am Motor nahezu unm glich Deshalb wird die Ru oxidation berwiegend an Modellgaspr fst nden untersucht Hier sind eine Trennung der Abscheidung und Oxidation sowie eine freie Wahl der Spurengaskomponenten Str mungsverh ltnisse und Temperatur m glich Basierend auf den Erfahrungen die bei den ersten Ru oxidationsexperimenten am Realru durchgef hrt wurden sollte der bestehende Modellgaspr ftstand optimiert und verbessert werden Au erdem wurden entsprechende Grundlagen f r die kinetische Auswertung der Oxidationsexperimente sowie f r die Kalibrierung gelegt Die Verbesserungen die sich aus den Experimenten in dieser Arbeit ergeben konnten in folgenden Arbeiten umgesetzt wurden 121 122 NO besitzt im Vergleich zu O2 eine deutlich h here Oxidationsaktivit t gegen ber graphitischem Kohlenstoff 123 Die Re
82. ahrzeuge Gruppe Grundlagen der Nutzfahrzeugtechnik Basiswissen Lkw und Bus M nchen 2004 Bechmann O Untersuchungen zur Ablagerung von Ru partikeln aus dem Abgas von Dieselmotoren Dissertation Universit t Hannover 2000 http www dieselnet com standards us hd html y2007 Mollenhauer K Hrsg Handbuch Dieselmotoren Springer Verlag Berlin 1997 Fenimore C P Studies of Fuel nitrogen in Rich Flame Gases Proc Comb Inst 17 S 661 1979 Zeldovich A The Oxidation of Nitrogen in Combustions and Explosions Acta Physicochim USSR 21 577 1946 Jacob E D Rothe R Schl gl D S Su J O M ller R Nie ner C Adelhelm A Messerer U P schl K Mullen C Simpson Z Tomovic Dieselru Mikrostruktur und Oxidationskinetik H P Lenz Hrsg 24 Internationales Wiener Motorensymposium 15 16 Mai 2003 Fortschritt Berichte VDI Reihe 12 Nr 539 Band 2 S 19 45 2003 Environmental Protection Agency EPA Control of Air Pollution from New Motor Vehicles and New Motor Vehicle Engines Certification and Test Procedures Particulate Regulations for Light Duty Vehicles US Federal Register Vol 45 No 43 3 1980 LITERATUR 184 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Jacob E W Gotre D Rothe F Rammer K Richter Einflu des Motoren ls auf die Emissionen von Dieselmotoren mit Abgasnachbehandlung H P L
83. als w re es m glich mit einem Motor in Euro IV Auslegung die Euro IV Grenzwerte nach diesem PM KAT System zu unterschreiten Die erzielten Abgastemperaturen und der NO Umsatz scheinen f r eine vollst ndige Oxidation des abgeschiedenen Kohlenstoffes ausreichend Die mittels PASS bestimmte Kohlenstoffkonvertierungsrate bertrifft die im ESC gravimetrisch ermittelte Konversion von 30 Der Unterschied zum gravi metrischen Ergebnis wird berwiegend durch das nach dem PM KAT gebildete Sulfat verursacht das den gravimetrisch ermittelten Summenwert nach dem PM KAT erh ht Bei der Bestimmung der Partikelgr enverteilung mittels SMPS wurde im Bereich der Nukleationsmode eine teilweise negative Abscheidung erreicht D h die Nukleationsmode war in diesem Bereich nach dem PM KAT System h her als vor dem PM KAT Vermutlich handelt es sich hierbei um fl ssige Partikel Tr pfchen die vor dem PM KAT System berwiegend aus Kohlenwasserstoffen und danach ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 148 aus Schwefels ure bestehen Bei der Untersuchung des Langzeitverhaltens der Partikelgr enverteilung vor und nach dem PM KAT System in Abbildung 83 und Abbildung 89 ist eine Abnahme der Nukleationsmode ber die Messzeit zu erkennen Dies wird durch die leichte Temperaturzunahme im Verd nnungstunnel verursacht wobei verdampfte Kohlenwasserstoff bzw Schwefels uretr pfchen nicht mehr vollst ndig kondensieren In 8
84. artikel sowie der Nachoxidation des Ru es gibt Abbildung 11 Wasserstoffweg Kohlenstoffweg Kraftstoffdampf 10 20 um z C3H7 CoHs CH CoH C2H2 CH Kohlenwasserstofffragmente LS LA Polyzyklische Aromaten gt 0 5 nm Kohlenstoffcluster O O Prim rpartikel 20 30 nm O O Flammfront i ee OH OOH CO CO HC Abbildung 11 RuBbildung nach der Elementarkohlenstoffhypothese 24 25 Aufgrund der Konzentrationsgradienten der jeweiligen Spezies zwischen dem Brennstoffgemisch und der Umgebungsluft diffundieren alle Spezies in unter schiedlichen Geschwindigkeiten vom Brennstoffgemisch zur umgebenden Luft DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 23 Die Reaktion zwischen Sauerstoff und den einzelnen Spezies h ngt somit von der Diffusionsgeschwindigkeit ab Aufgrund ihrer geringen Masse und ihres kleinen Durchmessers weisen Wasser stoffradikale bzw Wasserstoffmolek le deutlich h here Diffusionskoeffizienten auf als Kohlenwasserstoffradikale und Ru teilchen Der Wasserstoff kann daher in der gleichen Zeit gr ere Distanzen zur cklegen als die f r die Ru bildung relevanten Spezies Acetylen Polyacetylen und PAK Der im Brennstoffgemisch vorhandene Sauerstoff wird vor allem f r die Oxidation des Wasserstoffes beansprucht Die dabei freigesetzte Energie erw rmt das Brennstoffgemisch und beschleunigt die Pyrolyse und Dehydrierung der Kohlen wasserstoffspezies Der mengenm ig dominan
85. asprobe entnommen und die Partikelanzahlgr enverteilung mittels SMPS bestimmt Die Probenahme erfolgte 1 m nach dem Abgasturbolader 1 1m nach dem Schalld mpfer 2 und am Ende der Abgasleitung 3 Entfernung etwa 3 m von der ersten Probenahme Die drei Probenahmestellen sind in Abbildung 40 zu erkennen Abbildung 40 Probenamestellen im Abgasstrang zur Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung mittels SMPS Zur Erfassung eines gr eren Messbereiches wurde jeweils mit dem NDMA Nano DMA 2 64 nm und dem LDMA Long DMA 6 225 nm gemessen Beide ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 73 Messungen wurden einmal wiederholt Aus den 4 Messungen wurde zur besseren bersicht ein Mittelwert gebildet Abbildung 41 Der Nano DMA kann Partikel ab 2 nm klassieren Der verwendete Kondensationskernzahler z hlt aber erst Partikel ab einer Gr e von 3 nm Deshalb werden in Abbildung 41 zwischen 2 und 3 nm keine Partikel gez hlt Aufgrund der hohen Verd nnung von 1 100 ist allgemein ein leichtes Rauschen der ermittelten Partikelanzahlgr enverteilungen festzu stellen In Abbildung 41 ist eine gute bereinstimmung der Messungen mit dem NDMA und dem LDMA zu erkennen Die Abgastemperatur nach dem Turbolader ESC Stufe 3 betr gt etwa 300 C nach dem Schalld mpfer 250 C und am Ende der Abgasleitung etwa 230 C In der ESC Stufe 6 sind alle Temperaturen etwa 30 C h her NDMA NDMA Wdh
86. baut Der verwendete Dieselkraftstoff EN 590 p 0 833 g l hatte einen Schwefelgehalt von 5 ppm Man erkennt in Abbildung 69 den Aufbau eines Sintermetallfilters Das mit Partikeln beladene Abgas muss durch eine Filterwand aus Sintermetall Porengr e 15 20 um str men wobei sich die Partikel auf der Filterwand abscheiden Abbildung 69 Teilschnitt durch einen Sintermetallfilter mit Filterelement 102 Ein Foto des real verwendeten Sintermetallfilters zeigt Abbildung 70 Man erkennt deutlich die ru beladene Au enseite und ru freie Innenseite des Filters Die Ergebnisse f r den gravimetrischen Gesamtpartikelumsatz zeigt Abbildung 71 Der Motor konnte durch einen Wechsel des entsprechenden Motorsteuer ger tes bei 2 Leistungen 191 und 260 kW betrieben werden Die gravimetrischen Gesamtpartikelums tze liegen im ESC bei 90 91 und im ETC bei 94 Der Wert f r NO lag im ESC und ETC bei 6 9 g kWh ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 111 Abbildung 70 Aufnahme eines Sintermetallfilters Fa HJS Der Gegendruck des Systems lag bei 108 mbar ESC Drehzahl C 1295 kg h Abgas Tabgas 370 C Die mittels SMPS bestimmte partikelanzahlbezogene Gr enverteilung im ESC 260 PS vor und nach dem Filter zeigt Abbildung 72 Dort ist eine nahezu 99 9 vollst ndige Abscheidung der Partikel zu erkennen Das untersuchte Filtersystem zeichnet sich neben einem moderaten Gegendruck durch eine sehr gute Parti
87. bnis mit Oxidationskatalysator In Abbildung 65 sind die ESC Stufenmittelwerte der Ru konzentrationsmessung umgerechnet auf Rohabgaskonzentration bestimmt mittels PASS bei den verschiedenen Betriebsstoffen bei der Messung nach dem Oxidationskatalysator dargestellt Die Stufenmittelwerte liegen mit Ausnahme der beiden Volllast drehzahlpunkte B und C zwischen 1 8 mg m und 4 2 mg m Bei Drehzahl B 100 Last zwischen 3 9 mg m und 4 7 mg m Bei Drehzahl C Volllast treten die ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 103 h chsten Ru emissionen im ESC auf sie liegen hier zwischen 6 7 mg m und 7 7 mg m E Aschearmes l und lt 10 ppm S DK Aschearmes l und 50 ppm S DK E Basis l und lt 10 ppm S DK Fa ee Serie er ee er E Basis l und 50 ppm S DK Ru konzentration mg m A25 A50 A75 A100 B25 B50 B75 B100 C25 C50 C75 C100 ESC Stufe Abbildung 65 Ru konzentrationsmessung im ESC mittels PASS bei den verschiedenen Betriebsstoffen Stufenmittelwerte mit Oxidations katalysator Die Stufenmittelwerte aus Abbildung 63 und Abbildung 65 sind zur besseren Vergleichbarkeit in Abbildung 66 als ESC Zyklusergebnisse zusammengefasst Dort sind die aus den einzelnen ESC Stufenmittelwerten der Ru konzentrationen berechneten gewichteten und leistungskorrigierten Summenwerte f r die ver schiedenen Betriebsstoffe mit und ohne Oxidationskatalysator dargestellt Hierzu wurde aus de
88. bsstoffen wurde bei dem PM KAT System mit 300 mm langen Abscheidern BC 300 eine Partikelgr enverteilungsmessung durchgef hrt Abbildung 97 Diese Unter suchungen wurden jedoch an einem anderen Motor mit leicht unterschiedlichen Emissionen durchgef hrt Es hat sich aber gezeigt dass durch die Verwendung von Referenzbetriebsstoffen die Bildung der Nukleationsmode nach dem PM KAT System unterdr ckt werden konnte Durch den geringen Schwefelgehalt des Referenzdieselkraftstoffes von lt 4 ppm untere Nachweisgrenze wird hier keine Nukleationsmode aus Schwefels uretr pfchen gebildet Die Abscheidung ist f r Partikel lt 10 nm nahezu 100 Im Bereich der Akkumulationsmode liegt die Abscheidung im Bereich zwischen 60 und 70 Vergleicht man die Partikel gr enverteilungsmessungen des BC 300 Systems von Abbildung 94 mit der von Abbildung 97 so f llt auf dass die Abscheidung im Bereich der Akkumulations mode bei Abbildung 97 etwa 10 niedriger ist als bei Abbildung 94 Dies liegt an den unterschiedlichen Rohemissionsniveaus der verwendeten Motoren Dieses ist beim ersten Motor aus Abbildung 94 etwa 30 niedriger als beim Motor der f r die Messung mit Referenzbetriebstoffen bei Abbildung 97 verwendet wurde Die gravimetrisch ermittelten Ums tze lagen bei 58 63 im ESC ETC BC 300 Der Gegendruck ber dem PM KAT System lag bei 154 mbar Volllast Nenndreh zahl Die absoluten gravimetrischen PM Emissionen lagen bei 17 26 mg kWh E
89. d Mangold PM KAT Systeme 114 8 4 2 2 Charakterisierung eines Oberland Mangold PM KAT Systems in einem seriennahen Schalld mpfer 44444400snnnnennnnnnnnnnennnnennnnnennnennnnen 118 INHALTSVERZEICHNIS x 8 4 2 3 Charakterisierung verschiedener EMITEC PM KAT Systeme 128 8 4 2 4 Charakterisierung eines EMITEC PM KAT Systems in einem seriennahen Schalld mpfer suicides lastae ii ei 136 8 4 2 5 Diskussion der Ergebnisse mit verschiedenen offenen Abgasnachbehandlungssystemen 444snnneenennnnnnnennnnnnnennnnnnn nn 145 8 5 CHEMISCHE CHARAKTERISIERUNG VON DIESELABGASPARTIKELN uennnesnennnennnnnnnennnnnn 151 8 5 1 El amp Ementaranalysen ntesantsenageiiknkh gina 151 8 5 2 Bestimmung des Sulfatanteils 20 00 eee eect a E EA 154 8 5 3 Bestimmung des organisch l slichen Anteils 2444444440Rn nn nenn nn nenn 154 8 5 4 Probenahme im Abgasstrang 4444444444essssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 155 8 5 5 Bestimmung der CHNSO Anteile 0 0 eee ee entree teenie nese enneee eee taeeeeeseeeeesneeeeee 156 8 5 6 Analyse einer Ru probe durch VW uunsnneensssnnnnnnssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 158 8 5 7 Diskussion der Ergebnisse der Charakterisierung von Dieselabgaspartikeln 161 8 6 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN s 165 9 LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUBOXIDA
90. definiert negativ geladen w hrend der u ere Zylinder geerdet ist Dies erzeugt ein elektrisches Feld zwischen den beiden Zylindern Das elektrische Feld zwingt die positiv geladenen Partikel durch den Schleierluftstrom in Richtung des negativ geladenen inneren Zylinders negative Elektrode Partikel werden entlang des inneren Zylinders abgeschieden Abbildung 21 PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK Steuer 7 knopf Polydisperses m Aerosol x O Kr p Aerosol Schleier FR Neutralisator luft Impaktor Polydisperser __ P Aerosoleinla kr A Flowmeter Absolutdruck Sensor Anzeige W rme Temp tauscher Sensor Cry 2 am Eii berschu Filter f Sey Schleierluft Starkstrom Pumpe j Versorgung 42 Monodispereses Bypass Pumpe Abbildung 21 Flusschema des elektrostatischen Klassierers EC 3080 TSI mit LDMA 47 Der Ort der Abscheidung h ngt von der Mobilit t der Partikel Zp der Gasflussrate im Klassierer und der Klassierergeometrie ab Partikel mit einer hohen elektrischen Mobilit t werden im oberen Bereich des inneren Zylinders abgeschieden Partikel mit einer niedrigen elektrischen Mobilit t werden im unteren Teil des inneren Zylinders abgeschieden Partikel in einem schmalen Bereich entsprechender elektrischer Mobilit t k nnen als monodisperser Aerosol strom qm den Klassierer durch einen schmalen Rings
91. den soweit m glich mit dieser Korrelation ermittelt PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 53 a korrigiertes Signal Linear korrigiertes Signal y 20912x R 0 9964 n 159 PASS mV x 10 x q x Empfindlichkeit A 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Russkonzentration AVL 415S mg m Abbildung 28 Korrelation von PASS Spannungssignal zu den berechneten Ru konzentrationswerten AVL 4159S In Abbildung 29 ist ein Vergleich von EC Coulometriewerten mit den um gerechneten Rauchwerten dargestellt Es wurden Filterproben die bei konstantem Motorbetrieb mit Dieselabgaspartikeln beladen wurden mittels Coulometrie auf Ihren Anteil an elementaren Kohlenstoff untersucht Zus tzlich wurde bei jedem Motorbetriebspunkt der FSN Wert bestimmt und aus diesem mittels der Korrelation aus Kapitel 5 4 eine Ru konzentration berechnet Im Bereich bis 25 mg m zeigt sich eine gute Korrelation zwischen den Coulometrie und FSN Werten Es wurden auch Messungen bei Ru konzentrationen ber 25 mg m durchgef hrt Wegen eines m glichen Anwenderfehlers bei der coulometrischen Kohlenstoffbestimmung sind diese jedoch nicht eindeutig auswertbar PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 54 30 y 1 3071 x 0 0423 R 0 9227 45 ose ee oe n_ 32 _________ L Konzentration Ru AVL 415S mg m 0 5 10 15 20 25 elementarer Kohlenstoff Coulometrie mg m Abbildung 29 Korrelation der
92. det werden NO und NO werden zu NO zusammengefasst F r die Stickoxidbildung sind drei Hauptprozesse verantwortlich DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 14 1 Konversion aus dem im Brennstoff gebundenen Stickstoffs ber die Bildung von Ammoniak NH3 und Blaus ure HCN Dies kann aufgrund der heute verwendeten sauberen Betriebstoffe vernachl ssigt werden 2 Bildung von NO aus Luftstickstoff bei niedrigen Temperaturen 1000 K sogenanntes promptes NO Erstmals wurde dies von C P Fenimore untersucht und deshalb auch Fenimore NO genannt 10 Promptes NO ist mit der Bildung des Radikals CH verbunden das mit Luftstickstoff HCN bildet welches zu NO weiterreagiert 3 Bildung von NO aus Luftstickstoff bei hohen Temperaturen gt 2000 K sogenanntes thermisches NO Ihermisches NO macht den Hauptteil an der Stickoxidbildung aus Die daf r ver antwortlichen Elementarreaktionen lassen sich im sogenannten erweiterten Zeldovich Mechanismus benannt nach Y A Zeldovich zusammenfassen 11 N2 O NO N N 0 NO O O N OH NO H Die letzte Reaktionsgleichung tr gt bei unterst chiometrischem Luftanteil wesentlich zur Stickoxidbildung bei Da die Reaktionen der Stickoxidbildung verh ltnism ig langsam ablaufen die Temperatur Druck und Konzentrations verl ufe sich w hrend der motorischen Verbrennung jedoch zeitlich und rtlich stark ver ndern stellt sich kein Gleichgewichtszustand ein Zur Verringerung
93. e Ru morphologie ndert 12 27 28 Es konnte neben dem bekannten graphenoiden Anteil ein Anteil an fullerenoiden Strukturen 5 Ringen nachgewiesen werden Dieser k nnte sich aufgrund der ver nderten Bedingungen im Brennraum bei minimal emittierenden Motoren bilden Die Nachoxidation w hrend des Verbrennungsprozesses stellt einen wichtigen Vorgang f r den innermotorischen Ru abbau dar Er wird dadurch verst rkt dass bei der Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff zahlreiche neue OH HO gt 2 und O Radikale entstehen die viel reaktiver als Sauerstoffmolek le sind Die dabei freiwerdende W rme wird teils an die Flamme bertragen und teils an die Umgebung abgegeben sodass sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt bei dem die Kettenreaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff au erhalb der Verbrennungszone stattfindet Durch die steigende Temperatur gegen die Flammenfront werden die durch Diffusion entstandenen Ru teilchen teilweise wieder von reaktiven Radikalen oxidiert Durch die Bildungs und Abbauprozesse erh ht sich die Ru menge im Brennstoffgemisch zuerst mit steigender Temperatur und f llt bei einem weiterem Temperaturanstieg wieder ab 29 Der schematische Ablauf der w hrend der Verbrennung im Zylinder gebildeten und wieder oxidierten Ru amp mengen ist in Abbildung 13 dargestellt DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 26 Ru menge im nn Auslasssystem Oo on oxidierte Ru menge gt N
94. e Wechselschalld mpfersystem wurde an einem MAN D0836 LF40 EurolV Versuchsmotor hinter dem Serienschalld mpfer auf gebaut ber Nacht wurden 42 ESC Tests ca 21h gefahren Nach dem Ab k hlen des Systems wurde der an den W nden des Schalld mpfers ab geschiedene Ru mittels eines Gummiwischers aufgesammelt Mit dieser Methode konnten etwa 500 mg Dieselabgaspartikel an einem EurolV Motor gesammelt werden 8 5 5 Bestimmung der CHNSO Anteile Es wurde die Elementzusammensetzung CHNSO von verschiedenen Ru proben untersucht Die Analysen wurden von der Firma HEKATECH GmbH Wegberg durchgef hrt Analysator HEKATECH Euro EA CHNSO Es wurden jeweils 3 Analysen durchgef hrt aus denen Mittelwerte gebildet wurden Die Ergebnisse der Untersuchungen verschiedener Ru proben zeigen Abbildung 112 und Abbildung 113 100 90 80 70 60 E Rest aaa B O 50 D S 2 H lt 4g E N E C 30 20 10 0 A1 Ru aus Z1 Euro Ill Ru P1 D1 Printex XE 2 E4 Euro IV Ru Abscheideanlage Schwarzrauchru Abbildung 112 CHNOS Anteile verschiedener Ru proben Im Folgenden werden die Quellen der einzelnen Ru proben in Abbildung 112 beschrieben ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 157 A1 Ru aus Abscheideanlage alt Bei dieser Probe handelt es sich um eine Ru probe aus einer elektrostatischen Sammelabscheideanlage die daz
95. e der Temperatur im ESC links und ETC rechts ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 121 Bei den verwendeten Abscheidemodulen handelt es sich um Mikrokugel beschichtete gepr gte Folien die von einer gasundurchl ssigen Folie Planlage umgeben sind Abbildung 80 Fa Oberland Mangold Abbildung 81 SEM Aufnahme der Mikrokugelbeschichtung mit abgeschiedenen Ru partikeln 107 In Abbildung 81 ist eine SEM Aufnahme der Mikrokugelbeschichtung zu erkennen Abgeschiedene Ru partikel sind als wei er Belag zu erkennen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 122 Die gravimetrisch ermittelten Gesamtpartikelums tze des Systems sind in Abbildung 82 dargestellt Mittelwerte aus je 3 Messungen Es wurden Reduktionsraten von 30 im ESC und 50 im ETC erreicht Der NO Summenwert lag im ESC bei ca 7 5 g kWh und etwa 8 g kWh im ETC Der Abgasgegendruck durch das PM KAT System betr gt 104 mbar ESC Stufe 10 C 100 Last 290 kW 1750 kg h Abgasstrom Tangas 444 C PM mg kWh ESC roh ESC nach PM KAT ETC roh ETC nach PM KAT Abbildung 82 Gravimetrischer Gesamtpartikelumsatz Mittelwerte aus je 3 Messungen In Abbildung 83 ist der mittels Extraktion von Filterproben bestimmte organisch l sliche Anteil SOF sowie organisch unl sliche Anteil INSOF dargestellt vgl Kapitel 4 1 Der Sulfatanteil der Dieselabgaspartikel wurde bei diesem Versuch nicht
96. e polyzyklische aromatische Kohlen wasserstoffe oder Dioxine anlagern Aus ultrafeinen Teilchen besteht auch der Ru aus dem Abgas von Dieselfahrzeugen Staub wird bei Verbrennungsvorg ngen dem Umschlag von Sch ttgut und durch Produktionsprozesse vornehmlich in den Bereichen Eisen und Stahl sowie Steine und Erden erzeugt Die j hrlichen Emissionen betrugen in Deutschland BRD und DDR vor etwa 40 Jahren noch weit mehr als 3 Mio Tonnen j hrlich Durch Staubabscheidung in den Gro anlagen von Kraftwerken und Industrie und durch Brennstoffum stellungen wurden in den alten Bundesl ndern seit dieser Zeit bereits deutliche Minderungserfolge erzielt so dass ein kontinuierlicher Emissionsr ckgang von ca 1 4 Mio t um ca 1 Mio t auf nur noch 0 4 Mio t bis zum Zeitpunkt der Wieder vereinigung erfolgte In der DDR verharrten die Gesamtemissionen bis zur Wiedervereinigung auf einem hohen Niveau von rund 2 Mio t Tabelle 1 gibt einen berblick ber die Anteile der Gesamtstaubemissionen in Deutschland in den Jahren 2000 bis 2002 EINLEITUNG 3 Gesamtstaubemissionen in Deutschland kt a 2000 2001 2002 Deutschland gesamt 227 216 209 Verbrennungsbedingte Emissionen einschlie lich Verkehr 80 75 70 Davon Verkehr 43 39 35 Sonstige Quellen 147 141 139 Industrieprozesse 103 97 95 Schuttgutumschlag 44 44 44 Tabelle 1 Gesamtstaubemissionen in Deutschland 2000 2002 kt a inkl Kohleaufbereitu
97. ein dynamischer Testzyklus Dabei werden die Fahrbedingungen eines Motors w hrend einer Stadt Land und Autobahnfahrt simuliert Die vorgeschrieben Drehzahl und Drehmomentanteile sind in Abbildung 5 zu sehen Jede Testphase hat eine L nge von 600 s was zu DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 12 einer Gesamtl nge von 1800 s f hrt Wie aus Abbildung 5 deutlich wird sind im ETC auch Schleppanteile negatives Drehmoment enthalten was die Ver wendung eines dynamischen Pr fstandes elektrische Bremse erfordert Drehzahl ETC ion Be Landstra en Autobahnen 80 c Hit Ti ee ae ee PY De PY TP HE HA LA ER EHE HE hear 7 amd mm IT IN 1 A T WE I N ll II 1 III un JENE EAE A FAT Para ALTE NN A PEPE a a A ET 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Drehmoment Zeit s Abbildung 5 Anteile Drehzahlen und Lasten im ETC 2 4 Gasf rmige Emissionen Die Abgasemissionen aus der Verbrennung von Dieselkraftstoff setzen sich aus unterschiedlichen Komponenten zusammen Unter idealen Bedingungen w rden bei der vollst ndigen Verbrennung von Diesel kraftstoff die Verbrennungsprodukte Kohlendioxid COz Wasser H20 und Schwefeldioxid SO gt entstehen Aufgrund des kurzen intermittierenden Brenn vorganges des zeitlich stark eingeschr nkten Gemischbildungsprozesses direkter Brennverfahren kommt es unter realen Bedingungen jedoch zu teilverbrannt
98. einer pl tzlichen Erh hung der aerodynamischen Kr fte los gerissen werden Dieser Partikelabscheider arbeitet nach dem Prinzip der kontinuierlichen Reaktion von abgeschiedenen Kohlenstoffpartikeln mit NO2 analog dem CRT System 81 Ein Verblocken der Kan le sollte selbst bei nicht ausreichenden NO gt Konzentrationen nicht auftreten sodass der Druckverlust un abh ngig vom Beladungsgrad weitgehend konstant bleibt Dieses System ist in der Lage den Abgasstrom so zu teilen dass ein Teilstrom in benachbarte Kan le geleitet wird Der Aufbau der Zellen ist hnlich den der blichen Metalltr ger wie in Abbildung 37 gezeigt KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 67 Abbildung 37 PM KAT System Fa EMITEC gepr gte Welllage und por se Glatt lage mit abgeschiedenen Partikeln 67 Durch schaufelartige Einschnitte in den gewellten Folien ist es m glich einen Abgasstrom in die Nachbarkan le zu leiten Ist die Glattlage als Lochfolie ausgebildet so ist es m glich dass der Teilstrom auch noch die Lagenebene wechselt und somit je nach Orientierung der Schaufeln in die dar ber oder darunter liegenden Kan le geleitet wird Ist die Glattlage statt als Lochfolie als eine d nne por se Schicht aus Draht gestrick oder Fasermaterial ausgebildet so ist sie in der Lage Partikel abzuscheiden In dem Ma e in dem sich diese por se Schicht mit Partikeln f llt erh ht sich der Str mungswiderstand sodass schlie lich e
99. eliebiger Form chemischer Zu sammensetzung und Dichte ist gleich dem Durchmesser einer Kugel mit der Dichte 1 g cm welche in ruhender oder wirbelfrei str mender Luft die gleiche Sinkgeschwindigkeit hat wie das betrachtete Teilchen Die Staubpartikel lassen sich nach Gr e in folgende Fraktionen einteilen Ultrafeine Partikel Partikel kleiner 100 nm Feine Partikel Partikel kleiner als 2 5 um fr her auch lt 10 um EINLEITUNG 2 Grobe Partikel Partikel gr er als 2 5 um fr her auch gt 10 um Im englischsprachigen Raum werden unter coarse fraction Teilchen gr er als 2 5 um aber kleiner als 10 um verstanden PMio Partikel die einen gr enselektiven Lufteinlass passieren der f r einen aerodynamischen Durch messer von 10 um eine Abscheidewirksamkeit von 50 hat amtliche Definition aus EU Richtlinien Verweildauer in der Atmosph re und m glicher Transportweg werden durch die Teilchengr e entscheidend bestimmt So k nnen kleine Teilchen innerhalb von wenigen Tagen ber einige tausend Kilometer transportiert werden Ein Bespiel daf r ist der Saharastaub der je nach Windrichtung bis nach Europa oder Amerika gelangen kann Ultrafeine Partikel haben nur geringe Massenanteile an PM wenige Prozent weisen jedoch wegen ihrer gro en Anzahl bis zu 90 der PM eine erhebliche Teilchenoberfl che auf An dieser k nnen sich sch dliche Stoffe zum Beispiel Schwermetalle oder organische Stoffe sowi
100. ellen bei einem anderen Station rpunkt ESC Stufe 3 1800 min 605 Nm vgl 8 1 1 zu sehen Das Maximum der Nukleationsmode nimmt von der Messung nach dem Turbolader zu der Messung nach dem Schalld mpfer um etwa 10 ab und verschiebt sich von Anm nach 5 nm Von der Messung nach dem Schalld mpfer zu der Messung am Ende der Abgasleitung nimmt das Maximum der Nukleationsmode um weitere 10 ab und verschiebt sich weiter nach 6 nm Bei der Akkumulationsmode ist kein Einfluss der verschiedenen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 75 Probenahmestellen festzustellen Die Akkumulation der Ru partikel ist bereits vor der ersten Probennahmestelle abgeschlossen A nach Turbolader 3 ffl nach Schalld mpfer Ende Abgasleitung 1 10 100 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm dN dlog Dp Partikel cm 107 Verd nnung N Abbildung 43 Partikelanzahlgr enverteilung bei 1800 min 605 Nm ESC Stufe 3 an verschiedenen Probenahmestellen 8 1 3 Diskussion Einflu der Probennahme auf die Partikel anzahlgr enverteilung Es zeigt sich ein starker Einfluss der Probennahme auf die Nukleationsmode bei Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung wohingegen die Akkumulations mode nahezu unver ndert bleibt Die Nukleationsmode wird aus gasf rmigen Kohlenwasserstoffanteilen berwiegend unverbrannten Kraftstoff und lanteilen gebildet die bei der
101. elung abgelegten Belastungsgrenzwerte sorgen dabei f r einen sicheren Betrieb Damit die Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen gew hrleistet ist werden die Temperaturen von Ladeluft Motork hlwasser Kraftstoff und Pr fstandszelle konditioniert 3 2 Messwerterfassung Die Aufnahme der Messwerte kann entweder manuell oder automatisch erfolgen Im manuellen Betrieb wird der gew nschte Betriebspunkt am Bedienrechner eingestellt und nach dem Erreichen eines station ren Zustandes die Messwert aufnahme gestartet Im Automatikbetrieb wird der vorher auf dem Leitrechner abgelegte Pr fablaufplan vollautomatisch von der Pr fstandssteuerung abgefahren Die Rechen und Mess wertergebnisse werden angezeigt und abgespeichert MOTORENPR FST NDE 28 Die erfassten Messdaten werden dann in einer Microsoft Access Datenbank aufgenommen und k nnen als Zahlentabellen ausgegeben oder mit geeigneten Programmen Uniplot Excel als Grafiken dargestellt bzw ausgewertet werden 3 3 Abgasmesstechnik am Motorenpr fstand 3 3 1 Chemolumineszenzdetektor CLD zur NO NO Messung Die Analyse von Stickoxiden erfolgte mit Hilfe eines Chemolumineszenzdetektors CLD Das Messprinzip basiert auf der Oxidation von NO durch Ozon zu angeregtem NO F llt das angeregte Stickstoffdioxidmolek l wieder in seinen Grundzustand zuruck so erfolgt dies unter Aussendung einer Strahlung mit charakteristischer Wellenlange NO O3 NOx O2 NO2 NO h
102. em Mobilit tsbereich entspricht wird im folgenden eine entsprechende Definition der elektrischen Mobilit t entwickelt Ein Aerosolpartikel in einem elektrischen Feld E das n elektrische Ladungen tr gt erf hrt eine elektrische Kraft die es aus dem Gasstrom zwingt in dem es getragen wird Es erreicht sehr schnell seine Endgeschwindigkeit v Die PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 44 resultierende Zugkraft auf das Partikel wird durch das Stokes sche Gesetz vorgegeben Diese Gleichung kann nach der elektrischen Kraft aufgelost werden um die elektrische Mobilitat der Partikel zu bestimmen Die elektrische Mobilitat Zp ist damit die Fahigkeit des Partikels sich in einem elektrischen Feld zu bewegen Gleichung 3 n e C Gleichung 3 3 m u Dp P N Zahl der Elementarladungen des Partikels e Elementarladung 1 6x10 Coulomb C Cunningham Slip Korrektur u Gasviskositat dyne s cm Dp Partikeldurchmesser cm Der Bereich der Partikeldurchmesser die durch den elektrostatischen Klassierer entfernt werden h ngt nicht nur von der elektrischen Mobilit t des Partikels ab Knutson 52 bestimmte die Beziehung zwischen der elektrischen Mobilit t des Partikels und den Klassiererparametern Der Zusammenhang wird in Gleichung 4 dargestellt In r x Z In TTL 2 Gleichung 4 1 die Mobilit tsbandbreite AZp durch Gleichung 5 AZ ae Z Gleichung 5 q sh Mit folgenden Parameter
103. em Motoren l verursacht Die Ru emission liegt hier um etwa 30 unter den anderen Werten Die Erkl rung ist die katalytische Verbesserung der Ru oxidation im Brennraum durch die ladditivbestandteile z B Ca So fand Neeft 98 eine Reaktivit ts steigerung um das 3 5 fache bei Verwendung von Alkali Erdalkalimetallen als Dieselkraftstoffzus tze Da jedoch bei l ngerer Laufzeit eine D senverschmutzung zu erwarten ist d rfte der beobachtete Effekt nur kurzzeitig zu einer Absenkung der Ru emission f hren In 8 3 3 wurde der Einfluss verschiedener Betriebsstoffe in Kombination mit einem Oxidationskatalysator untersucht Die Nukleationsmode besteht wie bereits erl utert berwiegend aus Kohlen wasserstofftropfchen Selbst beim aschearmen Motoren l sind genug Kondensationskerne aus Aschepartikeln vorhanden um zur heterogenen Nukleation und damit zur Bildung der Nukleationsmode zu f hren Der Kraftstoff schwefelanteil zeigt hier nur einen geringen Einfluss auf die H he der Nukleations mode da ohne Oxidationskatalysator nur etwa 2 des Schwefeldioxides zur kondensierbaren Schwefels ure oxidiert wird Durch den Einsatz des Oxidationskatalysators k nnen bis zu 80 des gebildeten Schwefeldioxides zu Schwefels ure umgewandelt werden Es ist ein starker Einfluss des Kraftstoffschwefelgehaltes auf die H he der Nukleationsmode zu erkennen Diese nimmt mit h herem Kraftstoffschwefelgehalt von 4 auf 39 ppm S zu Die gebildete Sch
104. em PM KAT System ist keine Nukleationsmode mehr vorhanden das Maximum der Akkumulationsmode liegt hier bei 51 nm Die Abscheidung liegt im Bereich der Nukleationsmode bei 100 und geht im Bereich der Akkumulationsmode auf 60 70 zur ck ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 136 10 100 Sr ana Van U vor PM KAT T 90 By INIEENEIHETENEVEVETEINUEIETENG E SEIRIEPITERIVETENETEIRN SERREVERIRTENETEHENE nach PM KAT d go Abscheidung LEERE EEEEU EEE ELLE SEELE Ze re 70 es ee en On a 60 4 4 50 4 4 4 40 3 4 30 dN dlog Dp 10 Partikel kWh Abscheidung Anzahl 2 4 44 4444 ag 20 1 4 ge 42444 10 1 10 100 1000 elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 97 Anzahlbezogene Partikelgr enverteilung im ESC Summenwert beim BC 300 Abscheider 5 Module mit Referenzbetriebsstoffen bestimmt mittels SMPS 8 4 2 4 Charakterisierung eines EMITEC PM KAT Systems in einem seriennahen Schalld mpfer An einem EurolV Versuchsmotor MAN D0836 LF 40 6 91 206kW mit Common Rail und AGR wurde ein MAN PM KAT System mit EMITEC Partikel abscheidern das in einem seriennahen Schalld mpfer verbaut war vermessen 109 110 Es wurden folgende Betriebstoffe
105. en bersicht mit dem Faktor 10 LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 174 multipliziert dargestellt die Wasserkonzentration wurde um einen Faktor 20 ver kleinert 1500 NOx NO 1250 eee IE 2 eee ee ee eee H20 20 ex NO2 CO2 10 10002 eE EEEE EERERERTEENEEEEEEIE EAEE T a a Def ee ret e a ea er eee eee 500 EEE 250 J 0 MENN ZA 09 36 00 10 48 00 12 00 00 13 12 00 14 24 00 15 36 00 16 48 00 18 00 00 19 12 00 20 24 00 Zeit Abbildung 116 Konzentrationsverl ufe w hrend des Experiments Das Umschalten vom Bypass auf den FBR erfolgte 2 h und 24 min nach dem Beginn des Experimentes 12 Uhr und ist gekennzeichnet durch den Anstieg an CO gt Gleichzeitig sinkt die NO2 Konzentration ab Beides deutet auf die Umsetzung des abgeschiedenen Kohlenstoffes mit NO2 hin Nach 10 h Auf der Abszisse 19 20 Uhr wurde die Temperatur des FBR auf 375 C erh ht um den Rest des abgeschiedenen Ru es zu oxidieren Das Ende der Oxidation zeichnet sich nach 11 h und 30 min 21 Uhr ab und ist gekennzeichnet durch das Absinken der CO2 Konzentration auf 0 ppm Die ermittelte Wasserdampfkonzentration zeigt w hrend des Experimentes eine starke Schwankung und hat nur qualitativen Charakter Nach dem Ende des Experimentes und dem Abk hlen des FBRs wurde dieser ge ffnet Dabei konnten optisch keine Ru spuren mehr nachgewiesen werden Taschentuchtest Durch Integration der ermitte
106. en Hier wird vermutet dass Wasser die Adsorption von NO an der Ru oberfl che unterst tzt wobei das adsorbierte NO2 die Oxidation bei niedrigen Temperaturen beschleunigen kann Weiterhin soll Wasser die Bildung von Oberfl chenkomplexen beg nstigen Es sollte beachtet werden dass im Dieselabgas bis zu 10 Wasserdampf enthalten sind und deshalb eine realistische Betrachtung der Ru oxidation unter dieselmotorischen Bedingungen nur in der Gegenwart von Wasserdampf m glich ist LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 179 9 4 Zusammenfassung Der in dieser Arbeit verwendete und modifizierte Modellgaspr fstand ist geeignet um Ru oxidationsexperimente mit Realru durchzuf hren Zur Auswertung der aufgenommenen FTIR Spektren wurden in dieser Arbeit Routinen entwickelt die eine Bestimmung der Spurengaskonzentrationen NO NO2 CO2 H20 in diesen Spektren erm glichte Erste Oxidationsexperimente mit Realru zeigen differentielle Ratenkoeffizienten im Bereich zwischen Kait 0 001 bis 0 00001 s Durch den Zusatz von Wasserdampf ist eine Erh hung der Ratenkoeffizienten um den Faktor 2 nachweisbar Der verwendete Modellgaspr fstand bedarf weiterer Modifikationen Temperaturkonstanz Isolierung und die verwendeten FTIR Auswerteroutinen weiterer Optimierung Wegl nge Querempfindlichkeiten CO Kalibrierung Diese und andere Verbesserungen werden im Rahmen einer weiteren Doktorarbeit beschrieben 143 ZUSAMMENFASSUNG 180 10
107. en und unverbrannten Resten Dazu z hlen Kohlenmonoxid CO unverbrannte oder teiloxidierte Kohlenwasserstoffverbindungen die unter dem Begriff KW Emissionen zusammengefasst werden und partikelf rmige Emissionen PM und DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 13 Stickoxide Die Entstehung von Stickoxiden NO h ngt einerseits von der H he der Reaktionstemperatur und andererseits von der Sauerstoffkonzentration ab Der Anteil der durch die Emissionsgesetzgebung limitierten Schadstoffe am Abgas von Dieselmotoren betr gt etwa 0 3 Stand Eurolll Der Hauptanteil etwa 99 7 besteht aus den Komponenten Stickstoff Kohlendioxid Wasserdampf und Sauerstoff Gesamtabgase 7 Schadstoffe 80 60 Partikel 40 20 0 3 Abbildung 6 Mittlere Abgaszusammensetzung eines Nfz Dieselmotors Eurolll 6 W hrend die Konzentrationen der CO und KW Emissionen im Vergleich zum Ottomotor gering sind und abgasseitig durch den Einsatz eines Oxidations katalysators nachoxidiert werden k nnen stellt der Zielkonflikt zwischen NO und Partikelemissionen die besondere Problematik der dieselmotorischen Verbren nung dar vgl Abbildung 30 Bei der Stickstoff Oxidation handelt es sich um eine endotherme Reaktion N2 02 gt 2NO W hrend der Reaktionsvorgange im Brennraum laufen eine Vielzahl von Elementarreaktionen ab wobei neben Stickoxid in geringem Ma e auch Stickstoff dioxid NO2 und Distickstoffmonoxid N20 gebil
108. en kann Um eine NO Emissionsreduzierung zu erreichen ist beim h heren Einspritzdr cken eine Erh hung der AGR Rate oder eine Verschiebung des Einspritzzeitpunktes nach sp t notwendig Gruber 90 konnte zeigen wie bereits diskutiert dass bei einer Abnahme der Ru mode und damit der Ru partikelemission z B durch eine Raildruck erh hung kondensierbare Stoffe z B unverbrannte Kohlenwasserstoffanteile nicht mehr vollst ndig von den Ru partikeln aufgenommen werden k nnen da die Oberfl che daf r nicht mehr ausreicht Dementsprechend k nnen diese Substanzen dann eine eigene Mode Nukleationsmode bilden Dies zeigt sich auch in Abbildung 44 wo der gegenl ufige Trend von Nukleationsmode zu Akkumulationsmode deutlich wird Mohr 22 fand ebenfalls eine Dominanz der Ru mode bei niedrigem Raildruck schmutzige Einstellung und die Dominanz der Kondensatmode mit kleineren Partikeldurchmessern bei h herem Raildruck saubere Einstellung Erkl rt wird dies durch eine deutlich h here Oxidationsgeschwindigkeit aufgrund der viel h heren Mischungsrate bei h heren Einspritzdr cken Er betont dass eine Unter scheidung dieser beiden Partikelsorten Ru und Kondensationsmode wichtig ist da die toxikologische Wirkung in der Lunge aufgrund der unterschiedlichen L slichkeit nicht vergleichbar ist Die AGR ist eine wirkungsvolle Methode zur innermotorischen NO Reduktion vgl Kapitel 6 1 3 Durch eine R ckf hrung ei
109. ennnnnnnn 77 8 2 1 Variationen des Raildruckes 444244444nssnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 77 8 2 2 EinspritzVanlationenicis vss nein ea ae e r ee ed 80 8 2 3 Diskussion des Einflusses motorischer Parameter auf die Emissionen 83 8 3 EINFLUSS DER BETRIEBSSTOFFE AUF DAS EMISSIONSVERHALTEN e ceeeeeeeseeeeeeeeees 86 8 3 1 Einfluss verschiedener Dieselkraftstoffe eeecececeeeeeeeeeeeteeeeeenaeeeeeeeneeeeeeneeeeeeaas 86 8 3 2 Einfluss verschiedener Motoren le 24444nssnnnnnnennnnnnennnnnnennnnnnnennnn nenn 93 8 3 3 Einfluss verschiedener Betriebsstoffe sowie eines Oxidationskatalysators 93 8 3 4 Diskussion Einflu verschiedener Betriebsstoffe auf das Emissionsverhalten 104 8 4 CHARAKTERISIERUNG VERSCHIEDENER ABGASNACHBEHANDLUNGSSYSTEME unnennnen 108 8 4 1 Klassische Partikelfiltersysteme 244444444404444snnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 108 8 4 1 1 Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung an einem Siliziumcarbidfilter mit ohne Additiv 4 2 A 108 8 4 1 2 Messungen an einem Euroll Motor mit einem Sintermetallfilter 110 8 4 1 3 Diskussion der Ergebnisse mit klassischen Partikelfiltern 113 8 4 2 Offene Partikelfilter PM KAT Systeme 4s44444440sssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nenn 114 8 4 2 1 Untersuchung verschiedener Oberlan
110. enwasserstofftropfchen gebildet wird Aschepartikel z B aus den Ver brennungsprodukten der Motoren ladditive k nnen hierbei als Kondensations kerne dienen 16 Gegen ber dem starken Einfluss der Verd nnung auf die Partikelgr enverteilung zeigt der Ort der Probennahme einen geringeren Einfluss 8 1 2 Aufgrund der hohen Str mungsgeschwindigkeiten im Abgasstrang werden die drei Probe nahmestellen in weniger als 0 1s durchlaufen Die leichte Variation der Nukleationsmode kann durch den Temperaturunterschied der verschiedenen Probenahmestellen verursacht werden Die Akkumulationsmode zeigt hier keinen Einfluss vom Ort der Probenahme Die Akkumulation der Prim rpartikel zu Ru agglomeraten ist bereits im Brennraum weitgehend abgeschlossen Der Abgas turbolader wird f r eine weitere Homogenisierung der Dieselabgaspartikel sorgen nach dem Turbolader ist kein Unterschied mehr festzustellen Illini 91 fand einen st rken Einfluss verschiedener Probenahmestellen im Abgasstrang nach Turbine nach Rohr Auspuff Ende auf die Nukleationsmode Die H he der Nukleations mode nimmt dabei zum Auspuff Ende hin ab Der Einfluss auf die Akkumulations mode ist eher gering Sie diskutiert jedoch in ihrer Arbeit dass ein direkter Vergleich der ermittelten Partikelanzahlgr enverteiluingen aufgrund der ver wendeten speziellen Probenahmesonde zweistufige Verd nnung Eigenent wicklung TU Wien mit Partikelgr enverteilungen die mit anderen Verd
111. enz Hrsg 22 Internationales Wiener Motorensymposium 28 29 April 2001 Fortschritt Berichte VDI Reihe 12 Nr 455 Band 1 S 286 301 2001 Kittelson D B Engines and Nanoparticles A Review Journal of Aerosol Science 29 5 6 S 575 588 1998 Abdul Khalek I S D B Kittelson F Brear The Influence of Dilution Conditions on Diesel Exhaust Particle Size Distribution Measurements SAE Technical Paper Series 1999 01 1142 1999 Khalek l D B Kittelson F Braer Nanoparticle Growth During Dilution and Cooling of Diesel Exhaust Experimental Investigations and Theoretical Assessment SAE Technical Paper Series 2000 01 0515 2000 Vouitsis E L Ntziachristos Z Samaras Modelling of Diesel Exhaust Aerosol during Laboratory Sampling Atmospheric Environment 39 S 1355 1345 2005 Kim D H M Gautam G Dinesh Modelling Nucleation and Coagulation Modes in the Formation of Particulate Matter inside a Turbulent Exhaust Plume of a Diesel Engine Journal of Colloid and Interface Science 249 S 96 103 2002 Kim D H M Gautam G Dinesh Parametric Studies on the Formation of Diesel Particulate Matter via Nucleation and Coagulation Modes Journal of Aerosol Science 33 S 1609 1621 2002 Abdul Khalek I S D B Kittelson B R Graskow Q Wie F Bear Diesel Exhaust Particle Size Measurement Issues and Trends SAE Technical Paper Series 980525 1998 Mohr M L W Jaeger K Boulouchos
112. enze lt 1 Der Luftmangel ergibt ein fettes Gemisch hoher KW Anteil Die zugefuhrte Luftmasse entspricht der Luftmasse fur i vollst ndige Verbrennung theoretisch 24 Der Luft berschuss ergibt ein mageres Gemisch und somit wirtschaftliches Fahren gt Das Gemisch ist zu mager und nicht mehr z ndf hig 1 25 obere Z ndgrenze Tabelle 2 Lambda Werte und entsprechendes Motorverhalten Im Dieselmotor wird durch die Einspritzung von fl ssigem Kraftstoff in den Brenn raum ein Aerosol erzeugt Bei der im Brennraum herrschenden hohen Temperatur verdampft der Kraftstoff und die Kraftstoffkonzentration nimmt vom Tropfenrand in den Gasraum hin kontinuierlich ab In einer kugelf rmigen Zone um den Kraftstoff tropfen kommt es zur Reaktion Durch die entstehende Hitze wird aus dem Tropfen weiterer Kraftstoff verdampft Weiterhin laufen im Tropfen Pyrolyse reaktionen ab Da im Dieselmotor eine inhomogene Verbrennung abl uft muss mit Luft berschuss gearbeitet werden da sonst eine starke Rauchbildung einsetzt Entsprechend der geforderten Motorleistung wird der Kraftstoffanteil variiert Im Leerlauf ist der Luft berschuss mit bis zu 1000 am gr ten Im Teillastbetrieb wird im Bereich von A 2 bis 4 und im Volllastbereich von A 1 3 bis 1 8 gearbeitet 7 2 3 Abgasgesetzgebung in Europa Seit 1992 93 gibt es Europ ische Abgasnormen f r Nutzfahrzeuge Die aktuell g ltigen Grenzwerte sind in der Richtlinie 199
113. er ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 116 geschlossenen Planlage an Wobei die Well und Planlage mit einer Mikrokugel beschichtung versehen wurden vgl 8 4 2 2 Der gravimetrische Gesamtpartikelumsatz lag bei dem untersuchten mikrokugelbeschichteten PM KAT System bei 72 57 im ESC ETC bei einem Abgasgegendruck von 101 mbar Ein direkter Vergleich des PM KAT Systems mit Streckmetall mit dem mit Mikrokugelbeschichtung 3xOM150 mit 3xOM150N zeigt eine verbesserte Abscheidung im ESC und ETC Der Gegendruck ist dabei um 30 mbar erh ht Es ist jedoch zu beachten dass die Messung der mit Mikrokugeln beschichteten Struktur an einen anderen Motor MAN D0836 LF 40 mit einem h heren Rohemissionsniveau durchgef hrt wurde Abbildung 74 zeigt die mittels SMPS bestimmte anzahlbezogene Partikel verteilung sowie die Abscheidung im ESC bei der PM KAT Version 3xOM300 mit Streckmetall 7 100 E A E inet eee ee eeeee rene 90 vor PM KAT s nach PM KAT G g Ae a CS Abscheidung 59W 7 80 N O 4 f 4 4 70 amp d 5 a eee eee ee ee 60 3 a pa D DD ee ne een 50 amp 5 lt 5 Ve ee a nenne 40 0 30 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 74 Anzahlbezogene Partikelgr enverteilung vor und nach einem OM PM KAT System 3x 300 mit Streckmetallglattlage sowie Partikelab scheidung
114. er Gesamt NO Konzentration zu ent sprechenden Messfehlern f hren kann 33 MOTORENPR FST NDE 30 3 3 2 Flammenionisationsdetektor FID zur Kohlenwasser stoffanalyse Zur Bestimmung der Gesamtkohlenwasserstoffe im Dieselabgas wird ein Flammen lonisationsdetektor FID eingesetzt Abbildung 15 FID Analysator zur Bestimmung des Gesamtkohlenwasserstoff gehaltes im Abgas Legende 1 Datenausgabe 2 Brenner 3 Aus lass 4 Wasserstoff 5 kohlenwasserstofffreie Luft 6 Kalibriergas 7 Abgas 32 Das Messprinzip beruht auf der lonenbildung aus Kohlenwasserstoffen in einer Wasserstoffflamme Um die lonen detektieren zu k nnen sind Elektroden im Brennraum angebracht zwischen denen eine Spannung anliegt Kommt es nun durch Kohlenwasserstoffe zur lonenbildung so ndert sich die Spannung zwischen den Elektroden proportional zum Kohlenwasserstoffgehalt im Abgas Abbildung 15 Um eine Kondensation und Abscheidung von hochsiedenden Kohlenwasserstoffen zu vermeiden ist es notwendig die Probennahmeleitungen auf 190 C zu beheizen 3 3 3 Nichtdispersiver Infrarotanalysator NDIR zur CO CO Messung Das f r die Kohlenmonoxidanalyse eingesetzte Verfahren der nichtdispersiven Infrarot Analyse NDIR macht sich den Effekt zunutze dass mehratomige Gase MOTORENPR FST NDE 31 infrarote Strahlung in Banden absorbieren k nnen die f r jedes Gas spezifisch sind Abbildung 16 NDIR Gasanalysator zur Bestimmung der CO CO
115. er Partikelbeladung rasch an 78 Sintermetallfilter arbeiten nach dem Prinzip der Tiefen und teilweise Oberfl chen filtration Aufgebaut sind diese Filter hnlich wie Keramikmonolithen Die Kan le werden wechselseitig durch einen Schwei vorgang verschlossen Eine Sinter metallplatte wenige Zehntel Millimeter mit definierter Porenstruktur bildet das Basiselement Ein Nachteil dieser Filter ist zur Zeit noch ihr hohes Eigengewicht und geringes Oberfl chen Volumenverh ltnis Temperaturbest ndigkeit verschiedener Filtergeometrien W hrend des Betriebes werden die abgeschiedenen Partikel r hrenf rmig in den Einlasskan len des Keramikmonolithen abgeschieden Die einzelnen Kan le mit dem abgeschiedenen Ru sind durch die Kanalw nde sowie die Luft der KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 66 umgebenden Kan le isoliert W hrend der Regeneration verbrennt der Ru in den einzelnen Kan len isoliert ab was zu hohen Temperaturen und damit verbunden zu thermischem Stress f hren kann Sch ume und andere nach dem Prinzip der Tiefenfiltration arbeitende Systeme haben dreidimensional verbundene Strukturen was sowohl zu einer gleich m igeren Partikelabscheidung als auch zu einem besseren W rmetransport f hrt 6 2 3 Das PM KAT System Das Ziel bei der Entwicklung des PM KAT Systems war die Abscheidung von Partikeln in einer offenen Struktur 67 79 und 80 Die eingelagerten Partikel d rfen dabei nicht bei
116. ert Aufgrund des geringen Schwefelgehaltes des verwendeten Dieselkraftstoffes von 7 ppm werden in diesem Fall nur wenig Schwefels uretr pfchen gebildet Die anzahlbezogene Abscheidung im Bereich der Akkumulationsmode steigt vom PM KAT System mit 225 L nge BC 225 zum System mit 300 mm L nge BC 300 von 60 70 auf 70 80 an Dies korreliert gut mit der beobachteten Zunahme der gravimetrischen Gesamtpartikelabscheidung Bei dem PM KAT System mit ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 149 einer L nge von 300 mm BC 300 wurde die Kohlenstoffkonzentration vor und nach dem PM KAT im ESC bestimmt In Abbildung 95 sind die verd nnten Kohlenstoffemissionen die mittels PASS ermittelt wurden dargestellt Bei den drei Volllastpunkten erh lt man die h chsten Emissionen da bei diesen Punkten die Verd nnung am geringsten ist ca 1 5 Aus den Spannungssignalen in Abbildung 95 wurden Konvertierungsraten ermittelt die in Abbildung 96 dargestellt sind Da die Verd nnung bei der Messung vor und nach dem PM KAT System gleich war k rzt sich diese bei der Ermittlung der Konvertierungsraten heraus Man erkennt in Abbildung 96 die h chsten Kon vertierungsraten bei den Volllastpunkten Bei diesen Punkten hat man die h chsten Emissionen vgl Abbildung 95 die h chsten Abgasmassenstr me und damit Raumgeschwindigkeiten durch den Abscheider und die h chsten Abgas temperaturen vgl Abbildung 91 wei e Punkte Mit Referenzbetrie
117. erte Partikelanalytik ratsam Hierbei kann mit den in dieser Arbeit vorgestellten Methoden der organisch l slische und unl sliche Anteil bestimmt werden Bei Kraftstoffen die einen Schwefelgehalt von gr er 10 ppm aufweisen sollte zus tzlich der Sulfatanteil in den gravimetrischen Filterproben die nach einem Abgasnachbehandlungssystem gesammelt wurden bestimmt werden LITERATUR 183 11 Literatur 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Dockery D W C A Pope X Xu J D Spengler J H Ware M E Fay B G Ferris F E Speizer An Association between Air Pollution and Mortality in Six U S Cities New England Journal of Medicine 329 S 1753 1759 1993 Vedal S Health Effects of Ambient Particles Lines that Divide J Air amp Waste Manage Assoc 47 S 551 581 1997 Wichmann H E C Spix T Tuch G W lke A Peters J Heinrich W G Kreyling J Heyder Daily Mortality and Fine and Ultrafine Particles in Erfurt Germany Part I Role of Particle Number and Particle Mass HEI Health Effect Institute Research Report 98 Cambridge USA 2000 Richtlinie 1999 96 EG Richtlinie zur Angleichung der Rechtsvorschriften ber Ma nahmen gegen die Emission gasf rmiger und luftgetragener Partikel aus Verbrennungsmotoren 1999 Europ isches Parlament Umweltbundesamt Hintergrundpapier zum Thema Staub Feinstaub PM Berlin 2005 MAN Nutzf
118. erten Raffinerieprozess hergestellt Der schwedische ECOPAR Kraftstoff synthetisch technisches WeiR l aus Biomasse wird nach dem Fischer Tropsch Verfahren produziert Neben der Bestimmung der gasf rmigen und partikul ren Emissionen Gravimetrie wurden Partikelanzahlgr enverteilungen bestimmt und die Ru konzentration mittels PASS jeweils im ESC gemessen Es wurden Versuche mit und ohne zugeschalteter AGR durchgef hrt Zur Fest stellung des Einflusses auf den Z ndverzug wurden auch Experimente ohne Vor einspritzung VE durchgef hrt ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 87 Bezeichnung Basis NExBTL ECOPAR MK1 Kraftstoffsorte Schwefelfreier Hydrierter Fischer City Dieselkraftstoff Biodiesel BTL Tropsch diesel Dichte15 c g ml 0 833 0 783 0 797 0 811 Viskosit tso c mms 2 35 3 4 3 2 1 9 Schwefelgehalt mg kg 6 lt 1 lt 2 2 CH 1 86 2 1 1 99 Siedebeginn C 171 216 226 186 Siedeende C 364 321 321 294 Aromatengehalt 24 9 lt 0 02 lt 1 5 4 Cetanindex 49 7 97 9 51 54 5 Tabelle 8 Spezifikationen der verwendeten Dieselkraftstoffe Die erhaltenen absoluten gravimetrischen Ergebnisse sowie die ermittelten NO Emissionen im ESC zeigt Abbildung 50 Die prozentualen Anderungen der limitierten Emissionen sowie des spezifischen Kraftstoffverbrauches be im ESC in g kWh und I kWh zeigt Abbildung 51 ERGEBN
119. es 10 Partikel cm oO un NO g kWh 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Raildruck bar Abbildung 47 Einfluss des Raildruckes auf die Schwarzungszahl schwarz und NO Emissionen gelb sowie H he des Maximums der Akku mulationsmode rot bei einem ESC Konstantpunkt 1800 min 260 Nm mit AGR Es zeigen sich in Abbildung 47 wie bereits in Abbildung 45 dargestellt eine gute Korrelation der H he des Maximums der Akkumulationsmode zur Schw rzungs zahl sowie der gegenl ufige Trend von NO Emission und Schw rzungszahl 8 2 2 Einspritzvariationen An einem EurolV Versuchsmotor MAN D0834 siehe 8 2 1 mit einem Common Rail Einspritzsystem wurden die Einspritzparameter der Vor und Nachein spritzung VE und NE bei einem ESC Station rpunkt Stufe 3 B 50 1800min 260 Nm mit AGR variiert und der Einfluss auf die anzahlbezogene Partikel gr enverteilung mittels SMPS bestimmt Die Abgasprobenahme und Verd nnung erfolgte mittels Verd nnungstunnel bei Konstantverd nnung 1 10 Den Einfluss der Vor und Nacheinspritzung auf die Partikelanzahlgr enverteilung zeigt Abbildung 48 Die Schw rzungszahl sowie die limitierten gasf rmigen Emissionen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 81 sind in Tabelle 6 aufgef hrt Durch die Voreinspritzung erh hen sich die Akku mulationsmode die Schw rzungszahl sowie die NO Emissionen o aaa Basis NE 2mg 2000us 7 g
120. esteht gew hnlich aus kohlenstoff haltigen Agglomeraten und auf diesen absorbierten Substanzen e Die Grobstaub Mode Coarse Mode besteht aus im Abgasstrang abgelagerten Akkumulationsmodepartikeln die wieder abgel st wurden Die Akkumulations und Grobmode kann durch Filtration nahezu vollst ndig entfernt werden Die Bildung der Nukleationsmode wird derzeit intensiv erforscht 16 20 Es gibt die Vermutung dass Aschepartikel aus dem Motoren l als Kondensationskerne dienen auf denen dann Kohlenwasserstoffe bzw Schwefels ure aufkondensieren und so Tr pfchen mit einem Kern aus Aschepartikeln entstehen 21 Die Aussage dass modernere Motoren kleinere Partikel produzieren bezieht sich meist f lschlicherweise auf die Nukleationsmode die oft erst durch eine Abgas nachbehandlung bei moderneren Motoren Oxidationskatalysator gt Schwefel s urebildung auftritt Aufgrund der gro en Oberfl che der Ru agglomerate sind diese in der Lage gro e Mengen an Kohlenwasserstoffen und oder Schwefels ure anzulagern Eine Reduzierung der Ru emission f hrt bei modernen Motoren zu einem R ckgang der Akkumulationsmode und damit der Oberfl che Schwefels uredampf und Kohlenwasserstoffe k nnen dann homogen nukleieren und einen eigenen Mode bilden 15 22 Als vermutlich gesundheitsgef hrdend eingestuft ist aber der Bereich der Akkumulationsmode da diese den Ru und damit feste Partikel und m glicher weise angelagerte PAH enth lt Das
121. estgestellt werden Diese wird durch die gebildeten Eisenoxidpartikel verursacht Nach dem SiC Filter ist immer noch eine deutliche Nukleationsmode zu erkennen Dies deutet darauf hin dass ein Teil der Eisenoxidpartikel 0 5 den Filter passieren kann Skillas et al sowie Burtscher 103 104 fanden bei Messungen an einem Nutz fahrzeugmotor mit Eisen bzw Cer Additiv die Ausbildung einer Nukleationsmode bei Zugabe einer Schwellenmenge von Additiv zum Kraftstoff Beide vermuten dass die Additivpartikel bereits im Brennraum als Kondensationskerne f r Ru partikel dienen und bei einer berdosierung eine Nukleationsmode formen k nnen Burtscher 104 konnte zeigen dass die Nukleationsmode nicht durch eine thermische Behandlung Thermodenuder zu entfernen war was auf feste Additivpartikel schlie en l sst Aufgrund des Eisenoxidschlupfes Fe203 scheint der untersuchte SiC Filter f r den Einsatz mit Fe Additiv nicht empfehlenswert Metalloxidpartikel die den Filter verlassen k nnen liegen mit Ihrem aerodynamischen Durchmesser bei etwa 10 nm In diesem Bereich k nnen sie von Lunge und Bronchien aufgenommen werden Die gesundheitlichen Aspekte dieser Metalloxidpartikeln sind noch nicht gekl rt Durch Sch den am Partikelfilter Risse z B durch thermischen Stress k nnen zudem gr ere Mengen an Additivpartikeln freigesetzt werden In 8 4 1 2 wurde ein Sintermetallfilter hinsichtlich seines Partikelreduktions verhaltens untersucht D
122. ete Modellgaspr fstand ist in Abbildung 114 dargestellt Ein Gro teil des Aufbaues und der Charakterisierung des verwendeten Pr fstandes wird in 143 beschrieben Mit dem Versuchsaufbau sollte es m glich sein die Bedingungen im Abgasstrang von Nutzfahrzeugdieselmotoren in einem verkleinerten Ma stab zu simulieren LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 169 re SUR VLLLLL LL ZALLA VLLL L Abbildung 114 Vereinfachter Aufbau des Modellgaspr fstandes In einem Flachbettreaktor FBR k nnen verschiedene Partikelabscheide strukturen eingelegt werden und mit synthetischem Dieselabgas versetzt werden Die Anlage besteht aus einem Gasdosiersystem einem Oxidationskatalysator mit Bypass dem Flachbettreaktor mit Bypass und dem FTIR Spektrometer Bruker IFS 66 zur Analyse der Gaszusammensetzung und der gasf rmigen Reaktions produkte An verschiedenen relevanten Punkten der Anlage k nnen die Dr cke und Temperaturen erfasst werden Die Datenaufnahme erfolgte mittels eines Lab view Programms National Instruments Gegen ber berwachten und auto matisierten Systemen 141 ist bei dem in dieser Arbeit verwendeten Modellgas pr fstand in der gegenw rtigen Ausbaustufe nur ein manueller Betrieb m glich In Tabelle 20 sind die verwendeten Pr fgase aufgef hrt Stickstoff bzw Druckluft wurden mittels Rotametern mit Nadelventil Rota Yokogawa als Tr gergasstrom dosiert Die Spurengase wurden mittels Massendurchfl
123. evision C St Paul USA 2000 Allen M D O G Raabe Re Evaluation of Millikan s Oil Drop Data for the Motion of Small Particles in Air Journal of Aerosol Science 6 S 537 547 1982 Wiedensohler A E L tkemeier M Feldpausch C Helsper Investigation of the Bipolar Charge Distribution at Various Gas Conditions Journal of Aerosol Science 17 S 413 416 1986 Fuchs N A On Stationary Charge Distribution on Aerosol Particles in a Bipolar lonic Atmosphere Geophys Pura Appl 56 S 185 1963 Wiedensohler A H J Fissan Aerosol Charging in High Purity Gases Journal of Aerosol Science 19 7 S 867 870 1988 Knutson E O K T Whitby Aerosol classification by electric mobility apparatus theory and applications Journal of Aerosol Science 6 S 443 451 1975 Stolzenburg M R An Ultrafine Aerosol Size Distribution Measuring System Dissertation University of Minesota USA 1988 Agarwal J K G J Sem Generating Submicron Monodisperse Aerosols for Instrument Calibrations TSI Quartely May June TSI St Paul S 5 1978 TSI Model 3025A Ultrafine Condensation Particle Counter Instruction Manual Revision F St Paul USA 1998 TSI Model 3936 SMPS Scanning Mobility Particle Sizer Instruction Manual Revision St Paul USA 2004 Kesten J A Reineking J Porstend rfer Calibration of a TSI Model 3025 Ultrafine Condensation Particle Counter Journal of
124. f das Verd nnungsverh ltnis Um das genaue Verd nnungsverh ltnis zu bestimmen wurde der COz gt Anteil im Abgas roh bzw verd nnt mittels SESAM FTIR Abgasanalysator w hrend eines ESC Tests bestimmt Das Ergebnis zeigt Abbildung 57 11 28 11 22 10 72 11 02 0 49 10 84 10 77 11 02 Verd nnungsverh ltnis aus CO ESC Stufe Abbildung 57 Verd nnungsverh ltnis DEKATI Verd nnungsstufe aus der CO Konzentration roh verd nnt im ESC Das berechnete Verd nnungsverh ltnis Mittelwert aus 3 Messungen lag mit Ausnahme des Leerlaufs 9 3 zwischen 1 10 5 und 1 11 3 und zeigt damit nur geringe Abweichungen Die Abbildung 58 und Abbildung 59 Ausschnittvergr erung der Akkumulations mode zeigen die mittels SMPS bestimmten Partikelanzahlgr enverteilungen im ESC Zwischen dem aschefreien Fuchs l und dem aschearmen Shell l konnte kein aus gepr gter Unterschied festgestellt werden Beide zeigen keine Nukleationsmode und das Maximum der Akkumulationsmode ist beim aschearmen l etwa 15 h her Beim Standardmotoren l ist eine ausgepr gte Nukleationsmode zu erkennen und das Maximum der Akkumulationsmode liegt zwischen dem des aschefreien und des aschearmen Motoren ls ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 30 kel kWh N N ai ol dN dlogDp 10 Parti o 96 F
125. fen aus dem Dieselkraftstoff und dem Motoren l DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 17 Die Sulfate im Dieselru bilden sich aus organischen Schwefelverbindungen im Dieselkraftstoff und Motoren l Diese Verbindungen verbrennen im Motor und bilden SO z wobei etwa 2 zu SO oxidiert werden Das gebildete SO reagiert sehr schnell mit Wasser und bildet Schwefels ure diese kann mit ladditiv komponenten wie Calcium und Zinkverbindungen Carbonate Oxide reagieren und Sulfate bilden Beim Einsatz von Oxidationskatalysatoren ist der Anteil an gebildetem SO deutlich h her und kann bei ca 80 liegen Als N herung gilt bei Oxidationskatalysatoren 1 ppm S im Dieselkraftstoff kann zur Bildung von bis zu 1 mg kWh an Sulfaten f hren Die gebildeten Sulfate k nnen beim Einsatz von Partikelfiltern langfristig zu einem Verstopfen der Filter f hren Der Schwefelgehalt im Dieselkraftstoff wurde in den letzten Jahren deutlich reduziert Er liegt seit 1 01 2003 in Deutschland bei 10 ppm In der EU erfolgte ab 01 01 2005 eine Absenkung auf 50 ppm Eine weitere Absenkung auf lt 10 ppm ist in der EU ab 2009 geplant Der Anteil der Dieselabgaspartikel die aus dem Motoren l gebildet werden k nnen kann bei modernen Nfz Motoren bis zu Amg kWh betragen 14 Weiterhin k nnen Aschepartikel die Bildung der Nukleationsmode beeinflussen indem sie als Kondensationskeime f r Kohlenwasserstoffe und Schwefels ure dienen Der Additivanteil des Motoren ls der
126. g der Nukleationsmode wenn die Akkumulationsmode durch einen h heren Anteil an teilverbrannten Kohlenwasserstoffen ansteigt Die unver brannten Kohlenwasserstoffe der Nukleationsmode werden sich in einem solchen Fall aufgrund der zur Verf gung stehenden zus tzlichen Oberfl che an der Ru mode anlagern 8 3 Einfluss der Betriebsstoffe auf das Emissionsverhalten 8 3 1 Einfluss verschiedener Dieselkraftstoffe An einem EurolV Versuchsmotor MAN D0834 4 61 103 kW wurden 4 ver schiedene Kraftstoffe sowie Kraftstoffmischungen der einzelnen Kraftstoffe unter sucht Es soll untersucht werden inwieweit die verschiedenen Dieselkraftstoffe das Emissionsverhalten des Motors beeinflussen 95 96 Die Spezifikationen der verwendeten Kraftstoffe zeigt Tabelle 8 Es wurden jeweils die reinen Kraftstoffe sowie Beimischungen eines hydrierten Biodiesels 10 und 50 zum Basiskraftstoff untersucht Beim dem hydrierten Biodiesel werden biologische le Fetts uren aus pflanzlichem und tierischem Ursprung hydriert wobei berwiegend n Paraffine entstehen BTL Biomass to Liquid Eine Verwechslung mit dem als Biodiesel bezeichneten Raps l methyesther RME bzw FAME Fatty Acid Methyl Ester mit dem hier verwendeten Kraftstoff aus den hydrierten len im folgenden als hydrierter Biodiesel bzw NExBTL bezeichnet sollte vermieden werden Der finnische MK1 Kraftstoff wird in Schweden vertrieben Bezeichnung City Diesel und wird durch einen optimi
127. generation von Ru filtern ist damit bereits bei Temperaturen ber 280 C m glich 124 Auch beim filterlosen PM KAT System wird die Regeneration mit NO2 zur Partikelverminderung f r EurolV Nutzfahrzeugmotoren eingesetzt 67 Die Umsetzungsgeschwindigkeit von NO2 mit abgeschiedenem Ru ist neben der bekannten Temperaturabh ngigkeit auch von der Mikrostruktur und Oberfl che der Prim rpartikel abh ngig 12 Mit der katalytischen Ru oxidation haben sich zahlreiche Arbeiten besch ftigt 98 125 132 Die nichtkatalytische Ru oxidation wurde in wenigen Arbeiten behandelt 133 139 Basierend auf der Arbeit von Jacquot 140 k nnen f r die Ru oxidation im Abgasstrang folgende Hauptreaktionen angenommen werden C 2NOz CO 2NO C NO2 CO NO C O2 2 NO2 gt NO COz NO2 LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 168 C O2 NO2 gt CO NO2 Die Kohlenstoffoxidation mit Sauerstoff wird dabei durch die Anwesenheit von NO katalysiert Die Betrachtung der Ru oxidationskinetik erfolgt unter der Annahme einer Reaktion pseudo erster Ordnung zwischen NO und Kohlenstoff C 2NO gt 2NO CO ale _X C 2 NO Er C 2 NO Annahme NO gt gt C k k 2 NO alel aye dt dlc dm Ot dt dm arm Der differentielle Ratenkoeffizient kg ist ein Ma f r die zeitliche Abnahme der Kohlenstoffmasse bezogen auf die Gesamtmasse an Kohlenstoff 9 1 Modellgaspr fstand Der verwend
128. ger Emissionen beim Dieselmotor und Untersuchung von Verminderungsma nahmen Dissertation TU Wien 2002 Illini B Vertiefende theoretische und praktische Untersuchungen ber Entstehung und Messung von Partikeln im Abgas von Dieselmotoren Dissertation TU Wien 2002 LITERATUR 189 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 Vogt R V Scheer R Casati Partikel im Abgas von Dieselkraftfahrzeugen Unter suchungen am Rollenpr fstand und in der realen Abgasfahne AVL Forum Partikel emissionen 2002 24 25 September 2002 S 80 87 N rnberg Sauter J Forschungsarbeit Nr 279 VDI Verlag 1926 H Eichlseder H E Rechberger P Staub Der Einfluss des Einspritzsystems auf den Verbrennungsablauf bei DI Dieselmotoren 5 Tagung Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors S 343 362 Graz September 1995 Rothe D J Lorenz R L mmermann E Jacob L Rantanen R Linnaila New BTL Diesel Reduces Effectively Emissions of a Modern Heavy Duty Engine 5th International Colloquium Fuels Technische Akademie Esslingen Proceedings 2005 W J Bartz Hrsg S 99 101 2005 Lorenz J D Rothe R Lammerman R v Hoerner Emissionsverhalten verschiedener Dieselkraftstoffe an einem Euro4 D0834 LF MAN interner Versuchsbericht MTV 306 05 Nurnberg 2005 Rothe D G Emmerling R v Hoerner Untersuchung des Einflusses verschiedener
129. gestellt und es sind die Quellen der einzelnen Partikelbestandteile aufgef hrt Der Anteil der einzelnen Komponenten kann stark variieren und ist abh ngig von den motorischen Einstellungen sowie der Art der Abgasnachbehandlung DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 16 Abbildung 8 Typische Zusammensetzung und Quellen von Dieselabgaspartikeln Der Anteil der einzelnen Komponenten kann stark variieren Definitionsgem sind Partikel aus der dieselmotorischen Verbrennung Abgas bestandteile die auf einem definierten Filter abgeschieden werden wenn Diesel abgas das mit reiner gefilterter Luft verd nnt wurde durch das Filter gesaugt wird Hierbei darf eine Temperatur von 52 C nicht berschritten werden 13 Hierzu z hlen im wesentlichen Kohlenstoff welcher auch als Ru bezeichnet wird h her siedende Kohlenwasserstoffe die zum Teil am Ru angelagert sind und Sulfate Einen geringen Anteil an der Partikelemission haben auch Korrosionsprodukte des Motors und Verbrennungsprodukte von Additiven aus dem Motoren l Kohlenstoff ist meist der Hauptbestandteil der partikul ren Emissionen eines Dieselmotors Er setzt sich aus einem Anteil an elementarem Kohlenstoff EC und organischen Kohlenstoff OC zusammen Die Bildung von Ru partikeln die berwiegend aus elementarem Kohlenstoff bestehen ist ausf hrlich in Kapitel 2 5 beschrieben Der organische Kohlenstoff stammt berwiegend von nicht oder teil weise verbrannten Kohlenwasserstof
130. glange von 0 8 m eingestellt Zur Vermeidung von Kondensationseffekten war die Gaszelle auf 125 C beheizt Die Aufnahme des Hintergrundspektrums erfolgte nach dem Durchsp len der beheizten Gaszelle mit Stickstoff Die Aufnahme der Spektren erfolgte im Wellen l ngenbereich von 1000 bis 4000 cm F r die Aufnahme eines Spektrums 30 Scans wurden etwa 50 s ben tigt Zur Bestimmung der Gaszusammensetzung der aufgenommenen Probespektren ist eine Kalibrierung des FTIR mit Referenzspektren notwendig univariate Methode Dazu wurden am Modellgaspr fstand mittels MFC f r die ben tigten Gase verschiedene bekannte Konzentrationen eingestellt und dabei Spektren aufgenommen Nach dem Lambert Beer schen Gesetz ist die Extinktion Absorption E proportional zur Gaskonzentration c der Weglange und dem wellenl ngen abh ngigen Absorptionsquerschnitt LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 172 I Ele Ore Bei h heren Gaskonzentrationen ist der Zusammenhang nicht mehr linear Sattigungseffekte Zur Auswertung wurden jeweils die Fl chen einzelner Rotationslinien verwendet Dabei musste darauf geachtet werden dass keine berlagerung der betrachteten Rotationslinie mit einer anderen Komponente zu einer Querempfindlichkeit f hrt Die Auswertung und Berechnung der Kalibrations funktionen erfolgte mit der Software OPUS NT 3 Bruker Optics GmbH Ettlingen Integrations Grundlinienpunkte Integrationsbereich Komponente funkti
131. heiden der Partikel aus denen er besteht W hrend dieses Prozesses nimmt die Dicke dieser Schicht kontinuierlich zu Dies f hrt zu Beeintr chtigungen des Gasflusses was zu einem Anstieg des Gegendruckes zur Folge hat In Abbildung 33 ist der Aufbau eines Filterkuchens illustriert Russpartikel Filterkuchen Reingas Abbildung 33 Aufbau eines Filterkuchens bei einem Oberfl chenfilter Die Pfeile repr sentieren die Abgasflussrichtung 68 In kommerziellen Anwendungen werden Oberflachenfilter vom Typ eines Wall Flow Monolith Filters eingesetzt 69 Diese bestehen aus extrudierten por sen KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 63 Keramikwabenstrukturen mit wechselseitig verschlossenen Kan len Abbildung 34 Abbildung 34 Darstellung des Abgasflusses in einem Wall Flow Monolith 70 Ein Vorteil dieser Struktur ist das gro e Verh ltnis von Filteroberfl che zu Volumen Nach 70 arbeitet der Wall Flow Monolith Filter erst als cake filter nachdem sich eine entsprechende Ru schicht aufgebaut hat Wenn eine steady state Partikelbeladung erreicht ist wird die cake filtration zum dominierenden Filtrationsprozess Dies f hrt dann zu Filtereffizienzen von gr er 90 f r die Partikelmasse gr er 97 f r elementaren Kohlenstoff EC und gr er 99 bezogen auf die Partikelanzahl f r 20 500 nm Partikel Die Filter sind in unterschiedlichen Zellgeometrien zur individuellen Anpass
132. hren m glich die im Folgenden kurz erl utert werden Die coulometrische Kohlenstoffbestimmung 38 ist urspr nglich f r stra ennah gesammelte Immissionsfilterproben entwickelt worden wird aber auch direkt f r Dieselru filterproben von Motorpr fst nden und Fahrzeugen eingesetzt Die Bestimmung des Kohlenstoffs erfolgt hierbei durch Verbrennen der Probe unter Sauerstoff und der coulometrischen Detektion des dabei gebildeten CO2 Ein weiteres von der Firma HORIBA entwickeltes Ger t arbeitet bei h heren Temperaturen 1000 C und k rzeren Kontaktzeiten von 4 min Die Detektion des gebildeten CO erfolgt mittels eines NDIR Detektors 39 Bei einer anderen Methode kann die Thermodesorption von Filterproben im einem Ofen bei 180 C 5 h genutzt werden um mittels W gung vor und nach der Desorption den fl chtigen Anteil VOF Volatile Organic Fraction zu bestimmen 40 Dabei ist der ermittelte SOF Anteil definitionsgem nicht identisch mit dem VOF Anteil 41 42 4 3 Sulfat Die Bestimmung des Sulfatanteils in Filterproben kann nach Standardvorschriften durch eine Extraktion mit einer Mischung aus Isopropanol Wasser im Ultraschall bad bzw in einer Soxhletapparatur erfolgen 43 In dieser Arbeit wurde die Extrationsprozedur mittels ASE mit reinem Wasser durchgef hrt vgl 8 5 2 Die Wagung der Filter nach der Extraktion gibt Aufschluss ber den w ssrig l slichen Anteil Der Sulfatanteil im gewonnenen Extrakt kann mittels Ionenc
133. hromatographie quantifiziert werden 4 4 lasche Zur Bestimmung von einzelnen Elementen in Dieselabgaspartikeln k nnen moderne spurenanalytische Methoden wie die TXRF oder ICP MS bzw OES eingesetzt werden 44 PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 39 5 Physikalische Methoden der Partikelanalytik Im Folgenden werden die in dieser Arbeit verwendeten Messverfahren zur physikalischen Charakterisierung von Dieselabgaspartikeln vorgestellt Eine allgemeine Beschreibung von Aerosolmessger ten findet sich in 45 46 und 59 5 1 Scanning Mobility Particle Sizer SMPS Mit einem SMPS Scanning Mobility Particle Sizer kann die anzahlbezogene Partikelgr enverteilung eines Aerosols bestimmt werden F r eine Messung werden minimal 30s ben tigt Der Messbereich betr gt je nach eingestelltem Gasfluss f r den Nano DMA NDMA 2 168 nm und 13 833 nm f r den Long DMA LDMA Die maximal messbare Konzentration an Partikeln liegt bei 10 Partikeln cm bei 10 nm Die Angaben gelten f r das in dieser Arbeit verwendete SMPS System 3936 Klassierer EC 3080 DMA 3081 und 3085 der Fa TSl Im Folgenden werden die wichtigsten Grundlagen und Grundkomponenten eines SMPS Systems erl utert 47 Impaktortheorie und Betrieb Ein Impaktor ist vor dem Gaseinlass des elektrostatischen Klassierers EC montiert Das Aerosol durchl uft zuerst den Impaktor welcher Partikel einer bestimmten Gr e durch Impaktion entfernt Der Aer
134. icht der Halfte der Partikel im Mobilitatsbereich AZp 5 2 Kondensationskernz hler CPC Der Kondensationskernzahler Condensation Particle Counter CPC ist ein Gerat zur Bestimmung der Gesamtpartikelkonzentration Das Flussdiagramm eines CPC ist in Abbildung 25 dargestellt PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 48 Interner AP Balston Balston Filter A Filter Filter gt Ss gt Abluft A f Flowmeter Feste f i Vakuum 300 cm min D se Pumpe Optik al Gek hlter a Kondensator ln Beheizte atti Fl ssigkeitsgetr nktes A Sattigungskammer pace g g Bypass Fluss Aerosolflu Kapilare Bel 30 cm min T CAE Schleierluftstrom 270 cm min lA Aa A i s e Balston Schleierluft n a Eingangsflu en vun giy Es pais L Zus tzliche ch FRE JAL gt ___ Verd nnungsluft emmin V_ 0 oder 1200 cm min Balston Variable Drei Wege D se 4 Filter Ventil Abbildung 25 Flussschema eines Kondensationskernzahlers CPC 3025a TSI 55 Im CPC flie t das Aerosol zuerst durch eine beheizte und mit Alkoholdampf bei manchen Modellen auch Wasserdampf gesattigte Kammer Das mit Alkohol dampf ges ttigte Aerosol flie t dann in eine gek hlte Kondensationskammer Der Alkoholdampf kondensiert dabei auf den Partikeln wobei diese stark anwachsen und dadurch optisch gez hlt werden k nnen Die CPC Theorie Die Kondensation von Alkoholdampf auf den Partikeln wobei diese als Nukleationskeime dienen wird a
135. ie Grenzwertstufe EuroV hinaus ein EuroVl Grenzwert fur Nutzfahrzeuge festgeschrieben wird Mogliche Szenarien waren eine Halbierung der EuroV Grenzwerte was zu 1 g kWh f r NO und 10 mg kWh DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 11 f r Partikel ESC ETC f hren w rde Es ist m glich da sich zuk nftige europ ische Grenzwerte an den nordamerikanischen Grenzwerten f r US 2007 PM 0 01 g bhp h NO 1 4 g bhp h bzw US 2010 PM 0 01 g bhp h NO 0 2 g bhp h orientieren werden 8 2 3 1 European Stationary Cycle ESC Der ESC Europ ischer Station rtestzyklus ist einer der gesetzlich vorgeschriebenen Pr fzyklen f r Lkw Diesel und Gasmotoren Wie in Abbildung 4 dargestellt setzt er sich aus insgesamt 13 Betriebspunkten zusammen die das gesamte Kennfeld des Motors umfassen 3 Drehzahlen A B und C bei 4 Lasten 25 100 sowie Leerlauf Die Stufendauer betr gt mit Ausnahme des Leerlaufes 240 s jeweils 120 s somit ergibt sich eine Gesamtdauer von 1680 s In dieser Zeit werden die einzelnen Drehzahl und Lastpunkte in einer vorgeschriebenen Reihenfolge angefahren Die einzelnen Stufen haben eine unterschiedliche Wichtung bez glich der Abgas emission zwischen 5 und 15 10 8 A amp RI Zus tzliche Uy 2 50 5 10 95 Abbildung 4 Wichtung und Stufenreihenfolge der ESC Punkte 9 2 3 2 European Transient Cycle ETC Der ETC Europ ischer Transienter Testzyklus ist
136. ie Nukleationsmode v llig ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 78 y _ gt 1 N io o dN dlog Dp Partikel cm 107 Verd nnung 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 44 Anzahlbezogene Partikelgr enverteilung bei einem ESC Konstant punkt 1800min 260Nm mit AGR bei verschiedenen Raildr cken 25 4 un zn aes 3 6 ee ad ne 3 2 a SZ Ne a reiii niieriniinia H he AM 2 8 i a NOx NO g kWh Schw rzungszahl Bosch H he des Akkumulationsmodes 10 Partikel cm 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Raildruck bar Abbildung 45 Einfluss des Raildruckes auf die Schw rzungszahl schwarz und NO Emissionen gelb sowie H he des Akkumulationsmoden maximums rot bei einem ESC Konstantpunkt 1800 min 260 Nm mit AGR ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 79 In Abbildung 45 ist die NO Emission Schwarzungszahl sowie die maximale H he der Akkumulationsmode bei den verschiedenen Raildr cken aufgetragen Man erkennt den gegenl ufigen Trend der NO und Ru emissionen vgl NO Ru schere Abbildung 30 sowie eine sehr gute Korrelation der H he des Maximums der Akkumulationsmode mit der Schw rzungszahl Die Messungen wurden mit abgeschalteter AGR wiederholt Die Ergebnisse sind in Abbildung 46 und Abbildung 47 dargestellt 35
137. ieser Filter arbeitet nach dem Prinzip der Tiefenfiltration vgl 6 2 2 In Abbildung 72 ist bei etwa 100 nm ein schwach ausgepr gtes Filterloch zu erkennen Dieses kennzeichnet den bergang von diffusiver zu impaktiver Abscheidung Gegen ber keramischen Filtern k nnen Sintermetallfilter aufgrund ihres Aufbaues deutlich mehr Asche einspeichern Dies in Kombination mit ihrer sehr guten Abscheidung er ffnet diesen Filtern ein sehr gro es Potential f r den Einsatz bei zuk nftigen Grenzwertstufen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 114 8 4 2 Offene Partikelfilter PM KAT Systeme 8 4 2 1 Systeme Untersuchung verschiedener Oberland Mangold PM KAT An einem EurolV Versuchsmotor MAN D0836 LF40 CR wurden bei einem Oberland Mangold PM KAT System die Zahl der Abscheidemodule sowie die L nge der Module in einem Wechselschalld mpfergeh use vgl Abbildung 90 variiert Als Welllage wurde die gepr gte BS Struktur verwendet Bei der Glattlage kamen Module aus Streckmetall sowie teilweise mit einer Mikrokugelbeschichtung zum Einsatz Die Daten des verwendeten Motors der Betriebstoffe und des Voroxidationskatalysators finden sich in Kapitel 8 4 2 3 Es wurden jeweils die gravimetrischen Gesamtpartikelreduktionsraten im ESC und ETC sowie bei zwei Systemen auch die anzahlbezogene Partikelgr enverteilung im ESC ermittelt Eine bersicht der untersuchten Varianten zeigt Tabelle 14 Die Zelligkeit lag bei den Mod
138. iete der Voreinspritzung gelangt und somit h here Rauchwerte verursacht Die leichte Zunahme der Nukleationsmode ohne Voreinspritzung Abbildung 48 kann durch einen leicht h heren Anteil an unverbrannten Kraftstoffanteilen erkl rt werden Die Akkumulationsmode wiederum korreliert mit der Schw rzungszahl Die Nacheinspritzung bewirkt eine Reduzierung der Ru emission und eine leichte NO Reduzierung durch eine bessere Nachverbrennung des Ru es im Brenn raum Dies zeigt sich sowohl in einem R ckgang der Schw rzungszahl sowie bei der Partikelgr enverteilung in einer Abnahme der Akkumulationsmode mit Nach einspritzung Wie in Tabelle 7 dargestellt muss bei der Nacheinspritzung auf den richtigen Zeitpunkt geachtet werden Erfolgt die Nacheinspritzung relativ sp t Nichtangelagerte Nacheinspritzung so steigen die Kohlenmonoxid und Kohlen wasserstoffemissionen deutlich an da der eingespritzte Kraftstoff nur noch teilweise bzw gar nicht mehr verbrennen kann Eine nichtangelagerte Nachein spritzung wird in der Praxis oft verwendet um die Temperatur in Oxidations katalysatoren durch die exotherme Reaktion der Kohlenwasserstoffoxidation zu erh hen In Abbildung 49 ist der Einfluss der Variation von Nacheinspritzungs parametern bez glich Menge und Zeitpunkt demonstriert Eine Erh hung der Nacheinspritzmenge von 2 mg auf 6 mg f hrt dabei nicht zwangsl ufig zu einer ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 86 Erh hun
139. ikelanteil Ca 0 92 zn 0 07 Cr 0 07 Cu 0 05 Fe 0 54 Tabelle 18 Elementare Nichtkohlenstoffanteile der Ru probe bestimmt mit ICP OES nach S ureaufschlu Elemente Be Cd Co Mn Ni Pb Al Mg alle lt 500 ppm Die Elemente Ca und Zn entstammen dem Motoren l wo sie als Additiv bestandteile enthalten sind Cu kann aus der Kupferl tung des lk hlers emitiert werden Fe und Cr entstammen dem Motorenverschlei Vgl 8 5 7 5 Coulometrische Bestimmung des Kohlenstoff Gehaltes Einwaage ca 1 5 2 2 mg EC Anteil 80 5 In 8 5 5 wurde der Kohlenstoffgehalt der Probe EIV identisch mit dieser Probe mit 85 bestimmt Dieser setzt sich aus dem EC Anteil von 80 5 und dem SOF Anteil von 3 2 Entspricht etwa 2 8 OC Anteil zusammen Der TC Wert von etwa 83 korreliert somit gut mit dem Wert f r den Kohlenstoffgehalt von 85 6 Bestimung der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe PAK HPLC Fluoreszenz Fur die PAK Bestimmung wurden jeweils ca 20 mg Ru in Toluol durch Kochen am R ckflu extrahiert Dann erfolgte die Zugabe des internen Standards p Quaterphenyl f r PAK dg Nitropyren f r N PAK Die Probe wurde dann einengt filtriert und HPLC Fluoreszenzanalyse zugef hrt Online Vorreinigung an ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 161 ChromSpher Phi Saule Trennung an Chrompack Chromspher PAH S ule Detektion mit variabel programmierbarem Fluoreszenzdetektor F r die Nitr
140. il an gebildetem NO in Abh ngigkeit von der Raumgeschwindigkeit durch den Oxidationskatalysator sowie der Abgas temperatur zu sehen Da die Messung des NO2 Anteils nach dem Gesamt katalysatorsystem d h nach Schalld mpfer erfolgte hat ein Teil des gebildeten NO bereits mit dem Kohlenstoff reagiert und sich wieder in NO umgewandelt Der ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 119 tats chliche Umsatz wird deshalb etwas h her liegen Bedingt durch die Bauart war bei diesem System jedoch eine Messung direkt nach Oxidationskatalysator nicht m glich Die Messung der NO Umsatzraten erfolgte im ESC d h es ist davon auszugehen dass noch keine thermische Stabilit t des Oxidations katalysators erreicht war Deshalb kann die gemessene Abgastemperatur von der Katalysatortemperatur abweichen Der Anteil an gebildetem NO liegt bei maximal 60 Mit zunehmender Raumgeschwindigkeit und Abgastemperatur geht der Umsatz auf 20 zur ck Das temperaturabh ngige Gleichgewicht zwischen NO und NO verschiebt sich ab 300 C zunehmend zur Seite des NO NO 450 gt je oO oO a oO wo Q oO N a oO N oO o oO Raumgeschwindigkeit 10 h oO oO 50 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Abgastemperatur C Abbildung 77 Anteil an gebildetem NO als Funktion der Raumge
141. im ESC bestimmt mittels SMPS System Bei der Messung vor dem PM KAT System ist eine stark ausgepr gte Nukleationsmode zu erkennen die die Akkumulationsmode berlagert Das Maxi mum dieser Mode liegt zwischen 12 und 20 nm Bei der Messung nach dem PM ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 117 KAT System ist keine Nukleationsmode vorhanden Das Maximum der Akkumulationsmode liegt bei etwa 42 nm Die ermittelte anzahlbezogene Ab scheidung lag im Bereich der Nukleationsmode bei nahezu 100 und im Bereich der Akkumulationsmode bei 60 Dies deckt sich mit dem gravimetrischen Ergebnis der Gesamtpartikelreduktion das bei diesem System im ESC bei 58 lag In Abbildung 75 ist die anzahlbezogene Partikelgr enverteilung sowie die Partikelreduktion im ESC bei dem mit Mikrokugeln beschichteten PM KAT System 3xOM150N dargestellt 100 vor PM KAT nach PM KAT 80 Abscheidung 40 1 So Abscheidung Anzahl 30 dN dlog Dp 10 Partikel kWh 20 10 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 75 Anzahlbezogene Partikelgr enverteilung vor und nach einem OM PM KAT System 3xOM150N mit Mikrokugelbeschichtung sowie Partikelabscheidung im ESC bestimmt mittels SMPS System Bei der Messung vor dem PM KAT System ist eine ausgepragte Nukleationsmode zu erkennen die mit ihrer linken Flanke in die Akkumulationsmode Ubergeht Das Maximum der Nukleation
142. im ESC mit SMPS 8 min ESC und PASS durchgef hrt Ziel der Untersuchungen war die Untersuchung des Einflusses von Aschebildnern im Motorenol auf die Bildung Gr e der Nukleationsmode sowie die Ru konzentration Die Spezifikationen der verwendeten Motoren le sind in Tabelle 10 aufgef hrt Das Shell Rimula Ultra Motoren l war bis Mitte 2004 als Standard l im Motorenversuch in Verwendung Ca Zn P S Shell Rimula Ultra Standard 0 51 0 11 0 10 10 3 Shell M1523 Aschearm 0 12 0 02 0 02 0 06 Fuchs FES 0553 AF Aschefrei 0 0 0 05 0 125 Tabelle 10 Spezifikationen der verwendeten Motoren le Konzentration in w Der lverbrauch der verwendeten Motoren le wurde durch eine Differenzw gung des abgelassenen ls nach 20 h Volllast bestimmt Die Ergebnisse zeigt Tabelle 11 g h g kWh Shell Rimula 59 3 0 19 Shell M1523 56 6 0 19 Fuchs FES 0553 AF 46 0 0 15 Tabelle 11 Ermittelte lverbr uche bei Volllast Das Fuchs FES 0553 AF I zeigt einem 21 niedrigeren lverbrauch gegen ber dem Basis l Shell Rimula Die Verd nnung und Probennahme des Abgases f r das SMPS und PASS erfolgte mittels einer DEKATI Ejektor Verd nnungsstufe Das WVerdunnungs verh ltnis sollte dabei bauartbedingt kritische D se konstant sein vgl 3 4 2 Es ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 95 gibt jedoch einen Einfluss des Vordruckes au
143. in Punkt erreicht wird bei dem der vorher abgeleitete Abgasteilstrom an der Schaufel vorbei nun noch weiter durch den urspr nglichen Kanal str mt Nebenstromfilter Damit weitere Partikel abgeschieden werden k nnen m ssen die abgeschiedenen Partikel abgebaut werden Dies geschieht durch die Oxidation des Kohlenstoffs durch NO2 Dazu ist dem Abscheider ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet in dem NO gebildet wird Neben dem oben beschriebenen von der Fa EMITEC Lohmar entwickelten System gibt es ein hnliches System der Fa Oberland Mangold Eschenlohe Bei diesem ist die Glattlage als nichtdurchl ssige Folie ausgelegt Zur Erh hung KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 68 der initialen Oberfl chenrauhigkeit und damit der Ru deposition kann die Welllage z B mit Mikrokugeln beschichtet werden vgl Abbildung 81 Kapitel 8 4 2 2 Die massen und anzahlbezogenen Abscheideefizienzen sind beim PM KAT bauartbedingt niedriger ca 60 90 als bei klassischen Partikelfiltersystemen Der gro e Vorteil des PM KATs ist aber seine Verblockungssicherheit die einen gefahrlosen Motorbetrieb erm glicht 6 2 4 SCR System Zur Reduzierung der NO Emissionen von Dieselmotoren durch Abgasnach behandlung eignen sich katalytische Prozesse mit bevorzugter selektiver Reduktion des NO in Gegenwart vom bersch ssigen Sauerstoff Bisher ist es nur mit Ammoniak als Reduktionsmittel an einem Reduktions katalysator TiO
144. in Vergleich der ermittelten Abscheidegrade im ESC zwischen dem Rauchmessger t AVL 415S dem PASS Stufenmittelwerte und SMPS Stufenmittelwerte im Bereich der Akkumulationsmode dargestellt Es ergeben sich zum Teil deutliche Unterschiede zwischen den PASS und SMPS Ums tzen bei Drehzahl B 75 Last z B bis zu 30 Unterschied in der Abscheidung ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 145 I Drehzahl A Drehzahl B 90 a nn Drehzahl C D SMPS MW E PASS 80 4 4 M l G Rauch AVL 415S 70 1 Hs 40M ae FE f PE 60 50 Abscheidung 40 30 20 10 0 LL 25 50 75 100 25 50 75 100 25 50 75 100 Last Abbildung 108 Vergleich der ermittelten Abscheidung im ESC zwischen SMPS Mittelwerte PASS und Rauchmessgerat AVL 415S 8 4 2 5 Diskussion der Ergebnisse mit verschiedenen offenen Abgasnachbehandlungssystemen In Kapitel 8 4 2 1 wurden verschiedene PM Kat Variationen der Fa Oberland Mangold hinsichtlich Ihres Partikelreduktionspotentials untersucht Diese Strukturen bestehen aus einer gepr gten und einer glatten Folie in Streckmetall ausf hrung die spiralf rmig zu einer Zellmatrix aufgewickelt werden Durch die Pr gung der Tr gerstruktur erfolgt eine mehrfache Umlenkung des Abgasstromes ber der Strukturl nge In der Zellmatrix werden dadurch Radial und
145. inzip eines Verbrennungsmotors In motorisierten Fahrzeugen werden heute meistens Kolbenmotoren verwendet die nach dem Viertaktprinzip funktionieren Im Nutzfahrzeugbereich werden berwiegend Dieselmotoren eingesetzt nur ein geringer Teil der Nutzfahrzeuge berwiegend Busse wird mit Gas Fremdz ndung betrieben In einem Viertaktmotor ben tigt ein Zylinder zwei Umdrehungen der Kurbelwelle um einen Arbeitszyklus zu beenden Die einzelnen Abschnitte der Motorfunktion werden im klassischen Sinn durch die Bewegung des Kolbens vom Punkt h chster Auslenkung oberer Totpunkt OT zum Punkt kleinster Auslenkung unterer Totpunkt UT definiert Eine Bewegung des Kolbens von einem Totpunkt zum anderen nennt man Takt le d gt OT i Ve i s UT y Vh Vh Ve c Ve Reo UT Abbildung 1 Hubraum und Verdichtungsraum Legende OT Oberer Totpunkt UT Unterer Totpunkt d Bohrung s Hub s Verdichtungs verh ltnis Vc Verdichtungsraum V Hubraum 6 Der vollst ndige Arbeitszyklus besteht aus folgenden vier Takten Abbildung 2 DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 5 1 Takt Ansaugtakt 0 OT 180 UT W hrend der Arbeitsbewegung des Kolbens entsteht im Zylinder eine Saugwirkung so dass Luft durch die ge ffneten Einlassventile in den Zylinderraum einstr mt Dabei nimmt die Luft bereits W rme von den Ventilen dem Kolben und der Zylinderwand auf Um eine emissionsarme und m glichst vollst ndige Verbrennu
146. ischen 2 und 6h Nach der Beladung wurde der FBR f r den Transport verschlossen 9 2 FTIR Spektrometer und Kalibrierung Der Aufbau des in dieser Arbeit f r die Ru oxidationsversuche verwendeten FTIR Spektrometers ist in Abbildung 115 dargestellt Das FTIR Geh use wird mit CO2 und kohlenwasserstofffreier gefilterter und getrockneter Sp lluft Sp lluft generator Zero Air Generator ZAG 6l Peus Systems Bruchsal durchstromt Als Strahlungsquelle dient ein gl hender Siliziumcarbidstift Globar Die Detektion erfolgt mittels eines Quecksilber Cadmium Tellurid Detektors MCT der zur Reduzierung des Eigenrauschens mit fl ssigem Stickstoff auf 196 C gek hlt werden musste Das verwendete Spektrometer besitzt eine maximale spektrale Aufl sung von 0 1 cm In dieser Arbeit wurde anfangs eine spektrale Aufl sung von 0 2 cm verwendet bei sp teren Versuchen wurde die spektrale Aufl sung auf 0 5 cm LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 171 verringert um die Messzeit zu reduzieren Aperturblende 1 mm Die Wegl nge der verwendeten White Transmissionszelle 2 I war variabel von 0 8 bis 8m einstellbar zer B Michelson Interferometer fLicht quellen interner Detektorraum 2 Strahl auskopplung T EE ET een Pe T l Abbildung 115 Schematischer Aufbau des FTIR Spektrometers Brucker IFS 66 142 In dieser Arbeit wurde eine We
147. kee J A Moulijn Catalysts for the Oxidation of Soot from Diesel Exhaust Gases II Contact between Soot Catalysts under Practical Conditions Applied Catalysis B 12 S 21 31 1997 Trawczynski J Catalytic Combustion of Soot Reaction Kinetics and Catalysis Letters 63 S 41 45 1998 Querini C A M A Ulla F Requejo J Soria U A Sedran E E Mir Catalytic Combustion of Diesel Soot Particles Activity and Characterisation of Co MgO and Co K MgO Catalysts Applied Catalysis B Environmental 15 S 5 19 1998 Oi Uchisawa J A Obuchi R Enomoto J Xu T Namba S Liu S Kushiyamal Oxidation of Carbon Black over Various Pt MO SiC Catalysts Applied Catalysis B Environmental 32 S 257 268 2001 Liu S A Obuchi J Uchisawa T Nanba S Kushiyama An Exploratory Study of Diesel Soot Oxidation with NO and O on Supported Metal Oxide Catalysts Applied Catalysis B Environmental 37 S 309 319 2002 Pisarello M L V Milt M A Peralta C A Querini E E Mir Simultaneous Removal of Soot and Nitrogen Oxides from Diesel Engine Exhaust Catalysis Today 75 S 65 470 2002 LITERATUR 192 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 Setiabudi A B A A L van Setten M Makkee J A Moulijn The Influence of NO on Soot Oxidation Rate Molten Salt Versus Platinum Applied Catalysis B Environmental 35 S 159 166 20
148. kelreduktion aus ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 0 14 95 Elvor SMF 0 12 BnachSMF _______ 94 Co Umsatz 0 1 93 Se eee 92 x 9 a ce pais nn an 91 0 04 u u 90 0 02 ee u 89 0 _ 88 ESC 191kW ESC 260kW ETC 260 kw Abbildung 71 Gravimetrische Gesamtpartikelumsatze des SMF Filters 112 Umsatz 1 0E 18 1 0E 17 99 9 vor SMF Filter 1 0E 16 nach JET CRT 99 8 Abscheidung gt 1 0E 15 _f _ 97 amp 2 AOE S14 mn A HH 996 S a lt Sn p 995 2 5 Q 1 0E 12 3 ie 5 5 2 1 0E 11 2 lt 1 0E 10 1 0E 09 1 0E 08 f f 99 0 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 72 Partikelanzahlgr enverteilung logarithmische Darstellung im ESC vor nach dem Filtersystem sowie Abscheidung ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 113 8 4 1 3 Diskussion der Ergebnisse mit klassischen Partikelfiltern In 8 4 1 1 wurde der Einfluss eines Additives auf die Partikelgr enverteilung untersucht Bei Zugabe von Eisenadditiv zum Dieselkraftstoff konnte sowohl vor als auch nach dem Partikelfilter eine starke Zunahme der Nukleationsmode f
149. l 9 Temperaturf hler 10 Entnahmesonde 11 Druckmess umformer 12 Temperaturf hler 13 Massendurchflussmesser 14 Probenpumpe 15 Kugelventil 16 Steuerrechner 34 Die Probenahme f r das SMPS am Motorenpr fstand erfolgte berwiegend mittels eines Verd nnungstunnels Das durch den Verd nnungstunnel entnommene verd nnte Abgas wurde mittels eines 1 m langen Tygonschlauches dem SMPS zugef hrt Nach dem Durchlaufen des Messger tes wurde das verd nnte Abgas zur ck in den Verd nnungstunnel geleitet Bei Messungen vor und nach einem Abgasnachbehandlungssystem wurden gleiche Verd nnungsverh ltnisse gew hlt um das Ergebnis durch Verd nnungseffekte nicht zu beeinflussen MOTORENPR FST NDE 35 3 4 2 Partikelprobenahme mittels Ejektorverd nner Dieser Verd nner Dekati OY Finland funktioniert nach dem Prinzip eines Ejektorverd nners Motorenabgas wird in der Verd nnungsstufe mit getrockneter und gefilterter Druckluft auf einen Faktor 1 10 verd nnt Der Verd nnungsfaktor ist fest und durch die D se bestimmt Er variiert in einem Bereich von etwa 30 durch den gegebenen Vordruck Mehrere Verd nner sind kaskadierbar um h here Verd nnungsverh ltnisse zu erzielen In dieser Arbeit wird berwiegend die zweistufige Konfiguration verwendet In der ersten Verd nnungsstufe wird Motorenabgas mit Druckluft bei Abgastemperatur etwa 200 400 C verd nnt In der zweiten Verd nnungsstufe erfolgt die Verd nnung mit Druckluft bei
150. l in der por sen Planlage an als oxidiert werden k nnen In diesem Fall steigt der Str mungswiderstand der por sen Schicht bis zu einem Punkt an bei dem das Abgas nicht mehr durch die por se Schicht sondern an der Leitschaufel vorbei nur noch durch den eigentlichen Kanal str mt Dies ist ein Unterschied zu herk mmlichen Tiefenfiltern die sich in einem solchen Falle zusetzen w rden und damit keinen ungef hrdeten Motorbetrieb erm glichen w rden ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 130 Die Einspritz Auflade und AGR Systeme des Motors wurden auf eine NO Emission von lt 3 5 g kWh und eine PM Emission von 0 03 0 06 g kWh ESC ETC ausgelegt Das motorische Konzept zur Verbesserung der Abgasemissionen ist ausf hrlich in 67 beschrieben Der maximale Abgasvolumenstrom bei Nenndreh zahl und Volllast betrug 1200 Nm h In Abbildung 91 ist das durch den Oxidationskatalysator konvertierte NO2 als Funktion der Raumgeschwindigkeit durch den Katalysator sowie der Abgas temperatur im ESC dargestellt Der NO gt Anteil wurde durch Differenzbildung bei der Bestimmung des NO und NO Anteils mittels eines CLD Detektors vgl 3 3 1 bestimmt Die Messung erfolgte dabei direkt nach dem Oxidationskatalysator Wie bereits in 8 4 2 1 beschrieben wird im ESC keine Temperaturbeharrung erreicht Die h chsten NOz Konversionsraten von bis zu 75 werden bei niedrigen Abgastemperaturen und Raumgeschwindigkeiten erreicht 240 NO
151. lationsmode verringerte sich bei der Verwendung von aromatenfreiem Dieselkraftstoff von 50 auf 40 nm Durch den Einsatz eines Oxidationskatalysators k nnen Kohlenstoffumsatzraten von bis zu 25 erreicht werden Durch die Verwendung von Sintermetall und Silizumcarbidfiltern als Abgasnach behandlungssysteme k nnen partikelanzahlbezogene Reduktionsraten von 99 9 erreicht werden Bei Verwendung eines Eisenadditives zur F rderung der Ru oxidation in Kombination mit einem Siliziumcarbidfilter konnte ein Eisenschlupf im Bereich der Nukleationsmode nachgewiesen werden In dieser Arbeit wurden verschiedene PM KAT Systeme untersucht die bei der MAN als EurolV Abgasnachbehandlungssysteme f r einen Einsatz in Frage kommen Anzahlbezogene Partikelreduktionsraten lagen zwischen 60 und 75 Durch die Verwendung von schwefelfreiem Dieselkraftstoff und aschearmen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 166 Motoren len konnte die Nukleationsmode nach PM KAT Systemen vollst ndig entfernt werden Gravimetrische Partikelreduktionsraten lagen zwischen 50 und 70 Mittels PASS konnten Kohlenstoffkonvertierungsraten von bis zu 80 detektiert werden Die Ergebnisse dieser Arbeit konnten bei der Entwicklung des PM KAT Systems zur Serienreife einen Beitrag leisten In dieser Arbeit wurde ein Ru Sammelsystem entwickelt das es erm glicht Dieselabgaspartikel in gr eren Mengen zu sammeln und dann einer chemischen Analyse zuzuf hren
152. le Manche langkettigen Kohlenwasserstoff Verbindungen k nnen trotz der Pyrolyse durch Dehydrierung direkt zu monozyklischen Verbindungen umgebildet werden welche sp ter zu PAK umstrukturiert werden Die Bildung von PAK setzt sich im Inneren der Flamme fort indem die Zahl der Benzolringe mit zunehmender Entfernung vom Flammenkern zunimmt Durch weitere Acetylenaddition w chst der Kohlenstoffanteil auf Kosten des Wasserstoffanteils an bis schlie lich graphit hnliche Teilchen mit einem Durchmesser von 1 bis 10 nm entstehen aus denen sich in weiterer Folge Prim rpartikel bilden DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 21 SIE U C H Propan Pyrolyse Ok C H cae ica ais Ethen Hz Nukleationskeime C H CO CH 0 Ethin 3 M OY co CH Ox C H u OO CO CH X C H Er C C H C H CECH t os Ringschlu CO CH lt OX ee Ir Cec H Abbildung 10 Ru bildung nach der Acetylenhypothese am Beispiel des Propans 23 24 DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 22 Eine weitere Ru bildungstheorie stellt die diffusionskontrollierte Ru bildung dar 25 W hrend bei der klassischen Untersuchung der Ru bildung vor allem auf eine detaillierte Abkl rung der einzelnen molekularen Bildungsschritte des Ru es eingegangen wird ber cksichtigt diese auch den zeitlichen Verlauf der Ru bildung Einen schematischen berblick ber die Vorg nge der Ru bildung der Koagulation der Prim rp
153. lektrochemischem Modus Recycle Modus Detektor Leitfahigkeit Datenaufnahme 8 min externe Kalibrierung mit zwei Wiederholungen Auswertung Uber die Flache Kurventyp linear Als Extraktionsmittel wird wie beschrieben Reinstwasser eingesetzt Bei einem h heren Ru anteil der INSOF Partikelfraktion wird aufgrund der Unpolaritat des Ru es in 43 empfohlen zum L sen ein Wasser Isopropanolgemisch 60 40 einzusetzen um die Oberfl chenspannung des Wassers herabzusetzen Damit soll eine optimale Benetzung der Partikel erreicht werden Vergleichende Versuche zwischen Wasser lsopropanol und reinem Wasser ergaben jedoch keine Unterschiede bei der Sulfatbestimmung 115 8 5 3 Bestimmung des organisch l slichen Anteils Im Rahmen dieser Arbeit wurde neben einer verbesserten Methode zur Sulfat bestimmung auch eine verbesserte Methode zur Bestimmung des organisch l slichen Anteils von Dieselabgaspartikeln auf Filterproben entwickelt Die Methode wurde ebenfalls von der entsprechenden Fachabteilung zu einer MAN internen Anweisung Norm weiterentwickelt 116 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 155 Mit Dieselabgaspartikeln beladene Filter werden gerollt und in Stahlzylinder verbracht Diese Proben werden mittels Dichlormethan in der ASE Dionex ASE 200 bei 80 C und 100 bar f r 5 min extrahiert Die beladenen Filter werden vor und nach der Extraktion im Exsikkator bis zur Gewichtskonstanz getrocknet Die Ge
154. lmotoren freigegeben Das Shell Myrina TX Motoren l ist als Basis l im Motorenversuch weit verbreitet Ca Zn P S Shell Myrina TX Basis l 0 47 0 09 0 08 10 21 Shell M1523 aschearm 0 12 0 02 0 02 10 06 Tabelle 13 Additivspezifikationen der verwendeten Motoren le Konzentration in Gewichtsprozent ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 100 Aschearmes l 10 ppm S DK Aschearmes l 50 ppm S DK Basisol 10 ppm S DK e Basis l 50 ppm S DK dN dlogDp 10 Partikel kWh 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 62 Partikelanzahlgr enverteilungsmessung Rohgas bestimmt mittels SMPS ESC Summenergebnis f r die verschiedenen Betriebsstoffe ohne Oxidationskatalysator In Abbildung 62 ist die gewichtete leistungskorrigierte ESC Summenpartikel anzahlverteilung f r die verschiedenen Betriebstoffe bei der Messung ohne Oxidationskatalysator zu sehen Man findet bei allen 4 Kurven eine stark ausgepr gte Nukleationsmode mit einem Maximum bei 15 nm Das Maximum der Akkumulationsmode liegt bei 40 nm Die stark ausgepr gte Nukleationsmode berlagert die linke Flanke der Akkumulationsmode Am st rksten ausgepr gt ist die Nukleationsmode bei dem schwefelarmen Diesel kraftstoff 50 ppm S DK sowohl beim aschearmen Motoren l als auch beim Basis l F r den schwefelfreien Dieselkraftstoff lt 10 ppm S DK verringert
155. ls heterogene Kondensation Nukleation bezeichnet Das S ttigungsdampfverh ltnis des kondensierenden Dampfes bestimmt die kleinste durch den CPC detektierbare Partikelgr e Das S ttigungsdampf verh ltnis ist definiert als der herrschende Partialdruck des Dampfes p dividiert durch den S ttigungsdampfdruck p bei einer gegebenen Temperatur Das Verh ltnis zwischen dem S ttigungsdampfverh ltnis und der minimalen Partikelgr e wird durch die Kelvin Gleichung wiedergegeben 1500 cm min PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 49 p p 4 0 M Gleichung 7 p R T d mit folgenden Variablen o Oberfl chenspannung m N m M Molmasse kg mol p Dichte der Fl ssigkeit d Kelvindurchmesser R allgemeine Gaskonstante J mol K T absolute Temperatur K Der Kelvindurchmesser ist der Tropfendurchmesser bei dem der Tropfen beim S ttigungsdampfverh ltnis p ps nicht w chst oder verdampft F r jede Tropfen gr e gibt es ein bestimmtes S ttigungsdampfverh ltnis bei dem der Tropfen seine Gr e beh lt Bei zu geringem S ttigungsdampfverh ltnis verdampft der Tropfen Wenn das Verh ltnis zu gro ist w chst er weiter an Die kommerziellen CPCs f rdern das Partikelwachstum durch thermisches K hlen Durch Erh hung der Temperaturdifferenz erh ht sich das S ttigungs dampfverhaltnis und damit der minimale Partikeldurchmesser der detektiert werden kann Bei dem in dieser Arbeit verwendeten Modell 3025a
156. lten CO Konzentration konnte die anf ngliche Kohlenstoffmasse ermittelt werden Die zeitliche Abnahme der initialen Kohlen stoffmasse zeigt Abbildung 117 Nach der Temperaturerh hung von 300 auf LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 175 375 C ist eine beschleunigte Massenabnahme festzustellen Dies u ert sich ebenfalls in einer Zunahme des Ratenkoeffizienten 1 0 9 0 8 0 7 0 6 Temperaturerh hung von 300 C auf 375 C NN 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 t s 0 5 m mo 0 4 0 3 0 2 0 1 0 Abbildung 117 Kohlenstoffmassenabnahme ber die Versuchsdauer Die ermittelten Ratenkoeffizienten betragen k4m 300 C 5 65 1 5 x10 s und Kan 375 C 4 5 0 5 x10 s 9 3 2 Reaktionskinetik 9 3 2 1 Ratenkoeffizienten In Abbildung 118 ist die logarithmische Massenabnahme als Funktion der Reaktionszeit f r die in dieser Arbeit durchgef hrten Experimente mit Realru dargestellt In der Legende in der die einzelnen Experimente aufgef hrt sind ist dargestellt ob die Experimente in Gegenwart von Wasserdampf H20 durch gef hrt wurden und ob dabei die Wasserdampfkonzentration variiert wurde H20 var Mit einer Ausnahme 500 ppm NO wurden alle anderen Experimente bei einer Stickstoffdioxidkonzentration von 250 ppm durchgef hrt Die initialen Oxidationstemperaturen sind in der Legende aufgef hrt Am Ende der Oxidations experimente wurde die Reak
157. luft 2 Turboaufladung 3 Vorverdichtete Verbrennungsluft 4 Ladeluft k hler 5 Abgek hlte vorverdichtete Verbrennungsluft 6 Abgas 7 Bypassventil Wastegate 6 Bei der Kraftstoffzufuhr unterscheidet man Vorkammermotoren in denen dem Hauptbrennraum eine Mischkammer vorgelagert ist und direkt einspritzende Motoren bei denen der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird Heute werden wegen geringerer Emissionen berwiegend direkteinspritzende Ver fahren verwendet Unter den extremen Bedingungen im Brennraum 40 160 bar 700 1000 C am Ende des Verdichtungstaktes kommt es beim Einspritzen des Kraftstoffes zur selbstt tigen Z ndung Es entsteht eine berwiegend nicht vorgemischte turbulente Flamme Weiterhin kann man den Dieselmotor nach der Methode der Erzeugung des Einspritzdruckes einteilen Bei herk mmlichen Dieselmotoren wird eine Verteiler einspritzpumpe verwendet mit der Dr cke bis zu 1950 bar erzeugt werden k nnen Bei modernen Dieselmotoren kommen Pumpe D se Elemente PDE zum Einsatz dort ist die Hochdruckpumpe in der Einspritzd se integriert Es werden Dr cke bis zu 2000 bar realisiert Bei einem Common Rail System CR DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 8 steht der Kraftstoff in einem Speicher st ndig unter Hochdruck und kann ber Magnetventile in den Brennraum abgegeben werden Mit dem Common Rail System k nnen derzeit serienm ig Dr cke bis zu 1800 bar erzeugt werden vgl 6 1 2 2
158. lung e Hohe Verbrennungstemperaturen bewirken geringe Partikelemissionen und niedrigen Kraftstoffverbrauch Gleichzeitig wird jedoch die Bildung von Stickoxiden beg nstigt In Abbildung 30 ist der beschriebene Zusammen hang dargestellt Die erreichbare Emissionsreduzierung Punkt S verschiebt sich auf der dargestellten Grenzlinie nach rechts unten weniger Partikel mehr Stickoxide e Eine Verringerung der Verbrennungstemperaturen kehrt den Effekt um Die erreichbare Emissionsreduzierung verschiebt sich auf der Grenzlinie nach links oben KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 57 PM g kWh 0 5 Euro 1 1993 0 4 0 3 0 2 Euro 2 1996 0 1 Euro 3 2000 e 8 9 NO g kWh Abbildung 30 M glichkeiten der Emissionsreduzierung von NO und PM gem den Europ ischen Emissiongrenzwerten im ESC Legende G Grenze der Schadstoffreduzierung durch innermotorische Ma nahmen S Erreichter Punkt der Reduzierung der limitierten Emissionen durch innermotorische Ma nahmen 6 Dieser Umstand begrenzt die innermotorischen Ma nahmen auf dem Weg zu Stickoxid und Partikelgrenzwerten f r EurolV und V Damit werden zus tzliche Ma nahmen notwendig 6 1 Innermotorische Ma nahmen G nstige Wirkungsgrade von Verbrennungsmotoren bed rfen im Allgemeinen hoher Prozesstemperaturen Diese angestrebten hohen Temperaturen bergen aber den Nachteil der verst rkten Stickoxidbildung Hieraus ergibt sich die berlegu
159. m Rahmen einer Doktorarbeit durchgef hrt wurden 143 LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 177 1 0 0 97 0 00111 Q 00051 0 8 0 00091 0 7 0 00071 0 6 0 00051 e i 05 0 00041 0 00011 0 4 0 00021 0 00031 0 00021 0 3 0 00021 0 2 0 00011 0 1 1e 05 0 0 i l 240 260 280 300 320 340 360 T C Abbildung 119 Kennfeld des differentiellen Ratenkoeffizienten der Ru oxidation mit NO in Gegenwart von Wasserdampf als Funktion der Massen abnahme und Reaktionstemperatur 9 3 2 2 Wassereinfluss Bei einem Experiment mit Realru 250 ppm NOs 350 C wurde im Laufe des Experimentes die Wasserdampfkonzentration zwischen 0 und 3 6 Wasseranteil variiert In Abbildung 120 ist eine Abhangigkeit des Ratenkoeffizienten von der Wasser dampfkonzentration festzustellen Mit zunehmendem Zusatz von Wasserdampf erh ht sich die Oxidationsrate Zu einer Absicherung dieser Ergebnisse sind weitere Messungen notwendig LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 178 1 ER y 3E 05x 7E 05 1 20 R2 0 9946 n 6 Wasseranteil Abbildung 120 Differentieller Ratenkoeffizient als Funktion der Wasserdampf konzentration bei einem Oxidationsexperiment mit Realru In der Literatur findet sich ebenfalls eine Erh hung der Oxidationsrate bei Zusatz von Wasserdampf 132 133 140 144 In 132 wird versucht die erh hte Oxidationsrate bei Wasserzusatz zu erkl r
160. mbda Temperaturen Dr cke Abgasmassenstrom Es ist deshalb davon auszugehen dass die Probe nicht repr sentativ f r andere Betriebspunkte ist ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 165 8 6 Zusammenfassung der Ergebnisse der Pr fstandsuntersuchungen Es konnte gezeigt werden dass ein starker Einfluss der Probenahme auf die Bildung der Nukleationsmode bei SMPS Messungen besteht Durch Erh hung des Verd nnungsverh ltnisses kann die Nukleationsmode nahezu vollst ndig entfernt werden Der Einfluss verschiedenerer Probennahmestellen im Abgasstrang auf die Partikelgr enverteilung ist dagegen eher gering Motorische Parameter Raildruck Einspritzung Abgasr ckf hrung haben neben dem bekannten Einfluss auf die limitierten Abgaskomponenten auch einen starken Einfluss auf die Partikelanzahlgr enverteilung Eine Absenkung des Raildruckes f hrt zu einer Zunahme der Akkumulationsmode bei gleichzeitiger Abnahme der Nukleations mode Der Einfluss verschiedenerer Motoren le auf die Partikelanzahl und Ru konzentration ist gering Erst der Zusatz von Motoren l zu Dieselkraftstoff zeigt einen starken Einfluss ausgepr gte Nukleationsmode auf die Partikelgr en verteilung Durch die Verwendung von aromatenarmen bzw freien Dieselkraftstoffen konnte neben einer 30 igen Reduzierung der Partikelemission auch die Partikelanzahl verringert werden Das Maximum der Partikelanzahlgr en verteilung im Akkumu
161. mission 6 1 3 Abgasr ckf hrung Die Abgasr ckf hrung dient der Reduzierung der Stickoxidemissionen Mit der Abgasr ckf hrung wird der angesaugten Luftmenge ein Teil der Abgase beigemischt um die lokale Verbrennungstemperatur zu senken wobei ein Anstieg der Ladungstemperatur durch K hlung der r ckgef hrten Abgasmenge zu vermeiden ist Durch diese Ma nahme wird die spezifische W rmekapazit t der Ladung Ansaugluft Abgas erh ht und der Sauerstoffgehalt verringert Damit verringern sich lokale Spitzentemperaturen die zu einer erh hten Stickoxidbildung beitragen Nachteilig ist eine erh hte Ru bildung durch lokalen Sauerstoffmangel Der absolute Sauerstoffgehalt kann mit A konst beibehalten werden der relative Anteil sinkt jedoch In Abbildung 32 ist der Aufbau einer AGR dargestellt Von zwei Entnahmestellen im Auslasskr mmer wird Abgas in getrennten Rohren durch einen W rmetauscher gef hrt der an den K hlkreislauf angeschlossen ist Das abgek hlte Abgas wird ber Druckspitzenventile die den pulsierenden Druck des Abgasstromes ausnutzen der gek hlten Ladeluft im Ansaugkr mmer beigemischt KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 61 W AGR A Ventil lt Druck lt spitzen ventile Ladeluftk hler ND Seite Abbildung 32 Externe gesteuerte und gek hlte Abgasr ckf hrung mit zweistufiger Aufladung der Ladeluft 67 6 2 Abgasnachbehandlung
162. mit einer bestimmten Mobilit t kann als ein kleines Partikel mit einer einfachen Ladung oder als ein gr eres Partikel mit mehrfachen Ladungen den DMA verlassen Beide haben dieselbe Mobilit t und werden dem monodispersen Aerosolstrom zugef hrt In Gleichung 6 wird die Diffusionsverbreiterung nicht ber cksichtigt die f r Partikel lt 50 nm von Bedeutung ist Eine umfangreichere Beschreibung findet sich bei 53 Nachdem die Partikel entsprechend ihrer elektrischen Mobilit t klassiert wurden k nnen sie mit einem CPC vgl 5 2 oder Elektrometer gez hlt werden PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 46 10000 dsn 20 l min Ga qs lt 4 l min 2 1000 q c c a N c o 2 AT 1 10 Tr 0 001 0 01 0 1 Partikeldurchmesser D um Abbildung 23 Elektrodenspannung als Funktion des Partikeldurchmessers f r normale Betriebsbedingungen des LDMA 54 Datenaufnahmeprozess Wenn bei dem SMPS System durch den Mikrocomputer eine Messung gestartet wird sendet der Rechner dem Kondensationskernz hler CPC vgl 5 2 die ent sprechenden Scan Parameter Der CPC steuert ber seinen analogen Ausgang die Elektrodenspannung des DMA Der CPC z hlt die Partikel die den DMA verlassen Diese Daten werden mit 10 Hz an den Computer bertragen W hrend des Scans wird die Elektrodenspannung kontinuierlich erh ht Up Scan und den DMA verlassen zunehmend gr ere Partikel Die Gr e h
163. n Zp eingestellte Mobilit t wenn qa Qsn dann gilt Zp Zp qa Aerosolflussrate durch den Klassierer qs qp monodisperse Flussrate und polydisperse Flussrate Ash Schleierluftflussrate entspricht der Uberschussflussrate r2 u erer Radius des Freiraums zwischen den Elektroden 1 961 0 01 cm f r den LDMA und den NDMA Long Nano DMA r innerer Radius des Freiraums zwischen den Elektroden PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 45 0 937 0 01 cm f r den LDMA und NDMA V mittlere Spannung der inneren Elektrode V L L nge zwischen polydispersem Aerosoleinlass und monodispersem Aerosolauslass 44 369 0 074 cm f r den LDMA 4 987 0 015 cm f r den NDMA Die Angaben gelten f r die in dieser Arbeit verwendeten DMA Modelle Die Gleichungen 2 und 3 k nnen kombiniert werden um die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser der an der inneren Elektrode angelegten Spannung der Zahl der Ladungen auf den Partikeln der Flussrate im Klassierer und den Geometrien f r den NDMA und den LDMA zu liefern Gleichung 6 D _ 2 n e V L Gleichung 6 C 3 u Is 2 n Mit Gleichung 6 kann der Partikeldurchmesser von Partikeln berechnet werden die den Klassierer durch den unteren Ringspalt verlassen wenn die Zahl der Partikelladungen bekannt ist Die Mehrzahl der Partikel tr gt im Ladungsgleich gewicht nur eine Ladung Eine kleine Fraktion der Partikel tr gt jedoch mehrere Ladungen Ein Partikel
164. n NOx und Ozon O3 auch der Staub genauer der Schwebstaub Wie bei den anderen Luftschadstoffen konnte auch beim Schwebstaub in den vergangenen Jahren in Deutschland der Aussto und die auf Mensch und Umwelt einwirkende Belastung erheblich verringert werden Dennoch ist gerade der Schwebstaub zurzeit wieder in die Diskussion geraten weil es neue Erkenntnisse ber die gesundheitlichen Wirkungen des Staubes gibt 1 2 3 und in Europa sch rfere Grenzwerte gesetzt wurden 4 die unter anderem die Pflicht zur Aufstellung von Luftreinhaltepl nen in St dten und Gemeinden vorsieht Nach den derzeitigen Erkenntnissen wird die Einhaltung der versch rften Grenzwerte nicht berall in Deutschland m glich sein Als Schwebstaub werden alle festen und oder fl ssigen Teilchen bezeichnet die in der Au enluft weitgehend stabil und gleichm ig verteilt sind und eine gewisse Zeit in der Atmosph re verweilen Schwebstaub oder das atmosph rische Aerosol werden in der Wissenschaft international als Particulate Matter PM bezeichnet Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Schwebstaubes werden von der Gr e der Staubteilchen der so genannten Partikel und ihrer chemischen Zusammensetzung bestimmt Der Durchmesser der Partikel reicht von einigen Nanometern nm bis zu 100 Mikrometer um Teilchen mit Durch messern gr er 0 1 um k nnen durch ihren aerodynamischen Durchmesser dae beschrieben werden Der dae eines Teilchens b
165. n Wasserbremse Um eine bessere Vergleichbarkeit der Ru konzentrationsmessungen mit den einzelnen Betriebsstoffen zu erreichen sind in Abbildung 66 die aus den einzelnen Ru konzentrationen berechneten ESC Summenergebnisse dargestellt In Abbildung 64 ist die mittels SMPS bestimmte ESC Summenpartikelanzahl gr enverteilung f r die verschiedenen Betriebsstoffe nach dem Oxidations katalysator dargestellt Das Maximum der Nukleationsmode liegt hier zwischen 10 nm und 13 nm Das Maximum der Nukleationsmode bei schwefelarmen Dieselkraftstoff und dem ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 102 aschearmen Motoren l ist 30 ber dem Maximum bei Verwendung von schwefelfreien Dieselkraftstoff Das Maximum der Akkumulationsmode ist 15 h her Beim Basismotoren l liegt das Maximum der Nukleationsmode beim schwefel armen Dieselkraftstoff 60 ber dem des schwefelfreien Dieselkraftstoffes Das Maximum der Akkumulationsmode beim schwefelarmen Dieselkraftstoff ist 15 ber dem Maximum beim schwefelfreien Dieselkraftstoff 25 Aschearmes l 10 ppm S DK Aschearmes l 50 ppm S DK N o Basis l 10 ppm S DK e Basis l 50 ppm S DK _ ol dN dlogDp 10 Partikel kWh oi 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 64 Partikelanzahlgr enverteilung Rohabgas bestimmt mittels SMPS fur die verschiedenen Betriebstoffe ESC Summenerge
166. n Load Response Test European Stationary Cycle European Transient Cycle Europ ische Union Firma Flat Bed Reactor Flammenionisationsdetektor Filter Smoke Number Gesteuerter Diesel Katalysator Gaschromatographie Gaschromatographie mit massenspektrometrischer Detektion Hydrocarbon Induktiv gekoppelte Plasmaspektrometrie mit MS Detektion Induktiv gekoppelte Plasmaspektrometrie mit OES Detektion Insoluble Fraction Long DMA Laser Induced Incandecense Mass Flow Controller ABKURZUNGSVERZEICHNIS XII MS NDIR NDMA Nfz OC OES PAK PASS PM PMa25 PM1o PM KAT SCR SEM SMPS SOF SZ TDMA TDPBMS TXRF VDMA VFI VOF Massenspektrometrie Nichtdispersive Infrarotanalyse Nano DMA Nutzfahrzeug Organic Carbon Optische Emissionsspektroskopie Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe Photo Acoustic Soot Sensor Particulate Matter PM lt 2 5 um PM lt 10 um Particulate Matter Katalysator eingetragenes Warenzeichen Selective Catalytic Reduction Scanning Electron Microscopy Scanning Mobility Particle Sizer Soluble Organic Fraction Schw rzungszahl Tandem DMA Thermal Desorption Particle Beam Mass Spectrometer Total Refection X Ray Florescence Spectroscopy Verband der deutschen Maschinen und Anlagenbauer VDMA Gesellschaft f r Forschung und Innovation Volatile Organic Fraction EINLEITUNG 1 1 Einleitung Zu den klassischen Luftschadstoffen geh rt neben Schwefeldioxid SO gt Stick oxide
167. n einzelnen Stufenmittelwerten in mg m mit der Abgasdichte von 1 29 kg m ein Wert in ppm mg kg berechnet Die weitere Umrechnung erfolgte entsprechend den Berechnungsvorschriften f r die limitierten Abgaskomponenten NOx HC CO 4 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 104 25 Ohne Oxidationskatalysator Mit Oxidationskatalysator 151 U E 10 4 ea I S E M ____ Elementarer Kohlenstoff mg kWh Aschearmes l Aschearmes l Basis l Basis l lt 10 ppm S DK 50 ppm S DK lt 10ppm DK 50ppm S DK Abbildung 66 EC Zyklusergebnisse f r die verschiedenen Betriebsstoffe berechnet aus den PASS Ru konzentrationswerten Durch den Einsatz des Oxidationskatalysators wird eine Reduktion des elementaren Kohlenstoffanteils zwischen 7 und 20 f r das Basis l mit dem schwefelfreien Dieselkraftstoff erreicht Es ist bekannt dass an Oxidations katalysatoren auch teilweise Ru partikel abgeschieden und von dort gebildetem NO oxidiert werden k nnen 79 8 3 4 Diskussion Einflu verschiedener Betriebsstoffe auf das Emissionsverhalten In 8 3 1 wurde der Einfluss verschiedener Dieselkraftstoffe auf das Emissions verhalten untersucht Die Reduzierung der PM Emissionen beim hydrierten Bio diesel dem schwedischem ECOPAR sowie dem MK1 Kraftstoff ist auf deren geringe Aromatengehalte von 0 02 l
168. n of Particles Produced by Diesel Engines Combustion Sci Technol 154 S 259 273 2000 Burtscher H U Matter Particle Formation Due to Fuel Additives SAE Technical Paper Series 2000 01 1883 2000 LITERATUR 190 105 106 107 103 109 110 111 112 113 114 115 116 117 Rothe D G Emmerling R v Hoerner PM KAT am D2866 LF30 31 MAN interner Versuchsbericht MTV 303 04 N rnberg 2004 Rothe D F I Zuther E Jacob A Messerer U P schl R Niessner C Knab M Mangold C Mangold New Strategies for Soot Emission Reduction for HD Vehicles SAE Technical Paper Series 2004 01 3024 2004 Messerer A D Rothe U P schl R Niessner Advances in the Development of Filterless Soot Deposition Systems for the Continuous Removal of Diesel Particulate Matter Topics in Catalysis 30 31 S 247 250 2004 Reisch S N D Alfonso R v Hoerner Vorauslegung eines fahrzeugtauglichen PM KAT Systems MAN interner Versuchsbericht MTV 306 02 Nurnberg 2002 Rothe D A Pappenheimer N D Alfonso R v Hoerner PM KAT im TG1 SD am D0836 LF 40 MAN interner Versuchsbericht MTV 305 04 Nurnberg 2004 Rothe D A Pappenheimer R Lammerman E Jacob Ein Abgasnachbehandlungs system f r Euro 4 bei Nutzfahrzeugmotoren MTZ Motortechnische Zeitschrift 66 Heft Juni S 444 459 2005 Messerer A U P schl R Nie ner R Schl gl D
169. nachbehandlungs system zur simultanen Kohlenstoffpartikel Oxidation und NOx Reduktion f r Euro 4 5 Nfz Dieselmotoren 21 Internationales Wiener Motorensymposium VDI Fortschrittberichte Reihe 12 Nr 420 Band 2 S 311 329 2000 Jacob E MAN Technologie Erfassung und Vermeidung von Schadstoffen bei der Stickoxidverminderung in Abgasen BMFT Abschlussbericht 01 VQ 294 S 61 62 1988 Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen Instation r SCR FVV Forschungsbericht Heft 506 Frankfurt 1992 Jacob E MAN Nutzfahrzeuge AG Vorrichtung zur katalytischen NOx Reduktion Europ isches Patent EP 0 487 886 1990 94 EP 0 555 746 1992 97 Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen Harnstoff SCR FVV Forschungs bericht Heft 650 Frankfurt 1997 Jacob E G Emmerling A D ring U Graf M Harris B Hupfeld NO Verminderung f r Nutzfahrzeugmotoren mit Harnstoff SCR Kompaktsystemen Gesteuerter Diesel Katalysator GD KAT 19 Wiener Motorensymposium Wien 1998 Mathis U M Mohr R Zenobi Effect of Organic Compounds on Nanoparticle Formation in Diluted Diesel Exhaust Atmospheric Chemisty and Physics 4 S 227 265 2004 Sakurai H H J Tobias K Park D Zarling K S Docherty D B Kittelson P H McMurry P J Ziemann On line Measurements of Diesel Nanoparticle Composition and Volatility Atmospheric Environment 37 S 1199 1210 2003 Gruber M Charakterisierung partikelf rmi
170. neben der Kenntnis der physikalischen Eigenschaften wie z B Partikelmorphologie Prim r partikeldurchmesser Gr enverteilung auch eine umfassende Kenntnis der chemischen Zusammensetzung von Dieselabgaspartikeln DPM Hierzu sollen in dieser Arbeit verschiedene Methoden angewendet werden um die heterogene Zu sammensetzung von DPM elementarer Kohlenstoff Kohlenwasserstoffe Sulfate und Asche zu bestimmen 7 2 Laboruntersuchungen zur Ru oxidation Im Rahmen dieses Projektes soll ein bestehender Modellgaspr fstand so modifiziert werden dass er f r Untersuchungen zur Ru oxidation von realen Dieselru proben geeignet ist Die Ermittlung der relevanten Spurengas konzentrationen soll dabei mittels FTIR erfolgen Hierzu m en entsprechende Kalibrations und Auswerteroutinen entwickelt werden Abschlie end sollen erste Laboruntersuchungen zur Oxidation von Dieselru mit abgasrelevanten Spuren gasen durchgef hrt werden die Aufschluss Uber die Reaktivit t von Dieselru bei verschiedenen Bedingungen liefern sollen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 71 8 Ergebnisse und Diskussion der Pr fstandsunter suchungen 8 1 Charakterisierung verschiedener Probennahmesysteme 8 1 1 Einfluss der Abgasverd nnung auf die Partikelgr en verteilung An einen Common Rail EurolV Versuchsmotor MAN D0836 LF 40 6 9 I wurde der Einfluss der Abgasverd nnung auf die Partikelanzahlgr enverteilung mittels S
171. neben etwa 78 Kohlenstoff ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 162 auch jeweils etwa 2 H N und S sowie 16 Sauerstoff enthalten Dieser Ru stammt aus unterschiedlichen Quellen verschiedener Motorenkonzepte Der Anteil an Stickstoff kann durch Ammoniak verursacht werden Ammoniak wird bei SCR Systemen zur Stickoxidreduktion verwendet Der Anteil an Schwefel entstammt berwiegend aus dem verwendeten Dieselkraftstoff Bei der Probe von Z1 Ru wurde ein Anteil von 74 Kohlenstoff 14 Sauerstoff und 9 an Restbestandteilen gefunden Die Anteile f r Schwefel und Wasserstoff waren mit kleiner einem Prozent vernachl ssigbar Der Anteil aus Kohlenstoff setzt sich aus einem organischen und elementaren Anteil zusammen Der organische Anteil beinhaltet die un und teilverbrannten Kohlenwasserstoffe aus dem Motoren l und Dieselkraftstoff Diese binden auch den gr ten Teil des Rest wasserstoffes von 1 und einen gro en Teil des Sauerstoffs Teilweise wird der Sauerstoff auch in funktionellen Gruppen der Ru oberfl che gebunden sein 113 Sauerstoff ist auch in den anorganischen Verbindungen CaSO und ZnSO enthalten Die Restbestandteile von 9 bestehen gr tenteils aus Aschepartikeln Calcium und Zinkverbindungen aus dem Motoren l Teilweise k nnen auch Restbestandteile des Cordieritfilters enthalten sein Die Probe P1 wei t mit 88 einen hohen Anteil an Kohlenstoff auf Der Anteil des Sauerstoffes liegt bei 9
172. nes Teils des Abgases in den Brennraum sinkt der O Partialdruck und es steigt die W rmekapazit t wodurch lokal niedrigere Brennraumtemperaturen zu einer geringeren Bildung von Stickoxiden f hren vgl 2 4 Insbesondere muss aber zur Verbrennung der eingespritzten ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 85 Kraftstoffmasse eine gr ere Gasmasse von der Flammfront erfasst werden was zu einer noch st rkeren Temperaturabsenkung f hrt 90 Die zur Senkung der NO n tzliche Verringerung des Sauerstoffgehaltes f hrt leider zu einer erh hten Ru emission aufgrund von lokalem Sauerstoffmangel Dies zeigt sich auch in dieser Arbeit bei einem Vergleich der Abbildung 45 mit der Abbildung 47 Die Abgasemissionen k nnen ebenfalls durch die Variation der Kraftstoffein spritzung Menge Zeitpunkt Anzahl beeinflusst werden Die Voreinspritzung wird zur Verminderung des Verbrennungsger usches ver wendet Sie bewirkt eine Absenkung des Zylinderspitzendruckes durch eine Ver k rzung des Z ndverzuges und einer Erh hung der rtlichen Turbulenzen im Bereich des Kraftstoffstrahles 90 Damit wird ein ruhigerer Motorlauf erreicht Die Rauchemission SZ erh ht sich jedoch leicht siehe Tabelle 6 durch zwei Effekte Zum einen kann die Voreinspritzung eine Druckwelle des Raildruckes her vorrufen die den Druck der Haupteinspritzung absenken kann Weiterhin ist es m glich dass die Haupteinspritzung in die Flamme bzw Luftmangelgeb
173. ng durch innermotorische Ma nahmen die Rohemissionswerte von Dieselmotoren durch Optimierung des Brennverfahrens in Verbindung mit einem m glichst geringen Kraftstoffverbrauch zu reduzieren KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 58 6 1 1 Variation des Einspritzbeginns Der Einspritzbeginn des Kraftstoffes ist gekennzeichnet durch den Kurbelwinkel im Bereich des oberen Totpunktes OT vgl Abbildung 1 bei dem die Einspritzd se ffnet und Kraftstoff in den Brennraum einspritzt Die momentane Lage des Kolbens beeinflusst dabei die Bewegung der Luft im Brennraum deren Dichte und Temperatur so dass die Qualit t der Gemischaufbereitung zu einem gro en Teil auch vom Einspritzbeginn abh ngt Eine Sp tverstellung des Einspritzbeginns relativ zum Auslegungspunkt birgt somit grunds tzlich die Gefahr einer unvollst ndigen Verbrennung da durch den fallenden Verbrennungsdruck bei abfallendem Kompressionsdruck im Bereich nach OT auch das Temperaturniveau im Brennraum niedriger liegt Eine Fr hverstellung des Einspritzbeginns dagegen bewirkt einen steigenden Verbrennungsdruck mit h herem Temperaturniveau und macht sich auch durch einen lauteren Motorlauf bemerkbar Ein k rzerer Z ndverzug ist dabei innerhalb eines begrenzten Rahmens f r eine verbesserte Verbrennung und eine Optimierung des Kraftstoffverbrauches verantwortlich 6 1 2 Erh hung des Einspritzdruckes COMMON RAIL Eine weitere M glichkeit der Emissi
174. ng zu erm glichen arbeitet der Dieselmotor mit einem Luft berschuss Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat schlie en die Einlassventile 2 Takt Kompressionstakt 180 UT 360 OT Bei geschlossenen Einlass und Auslassventilen wird die eingestr mte Luft durch die Aufw rtsbewegung des Kolbens auf den etwa 15 bis 23 Teil ihres urspr nglichen Volumens verdichtet Die Temperatur der verdichteten Luft steigt dadurch auf 700 bis 800 C Die Ein spritzung des Kraftstoffs erfolgt kurz vor Erreichen ca 20 bis 30 KW bis hin zu OT Die eingespritzten Kraftstofftr pfchen vermischen sich mit der Luft verdampfen und entz nden sich durch die hohe Temperatur selbst Die Zeit zwischen Einspritzbeginn und Z ndung bezeichnet man als Z ndverzug Bei einem Z nd verzug von mehr als 1 bis 1 5 ms kommt es zu schlagartigen Verbrennungen was sich akustisch als Nageln des Dieselmotors bemerkbar macht 3 Takt Arbeitstakt 360 OT 540 UT Der Kolben bewegt sich durch den von der Verbrennung erzeugten Druckanstieg nach unten und verrichtet mechanische Arbeit Energie die auf die Kurbelwelle bertragen wird 4 Takt Auslasstakt 540 UT 720 OT Die Abgase str men nach ffnung der Auslassventile infolge des berdruckes teilweise von selbst in den Auslass kanal Die verbleibenden Abgasreste werden durch den Kolben ausgeschoben 6 DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 6 Abbildung 2 Viertaktverfahren
175. ngsanlagen Produktionsprozesse insbesondere der Bereiche Eisen und Stahl sowie Steine und Erden 5 Der Anteil der verkehrsbedingten Emissionen betrug demnach im Jahr 2002 16 Nicht enthalten sind hierbei die Aufwirbelung Stra enstaub und der Abrieb von Stra enoberfl chen sowie der erhebliche Abrieb von Reifen und Bremsen Eine Quantifizierung dieser Quellen ist schwierig da die H he der anfallenden Staubmenge von einer Vielzahl von Einflussfaktoren abh ngt die sich durch Modellierung oder Messung nur partiell erfassen lassen Minderungsma nahmen im Verkehrsbereich m ssen sowohl bei Staub der aus der Verbrennung in der Fahrzeugmotoren kommt als auch bei den anderen Emissionen dem Abrieb von Reifen Bremsen Stra enbelag und Aufwirbelung ansetzen 5 Die Minderung von Dieselru emissionen ist durch verschiedene Ma nahmen m glich Neben besseren Motoren Brennverfahren k nnen emissions rmere Betriebstoffe Dieselkraftstoffe und Motoren le sowie Abgasnachbehandlungs systeme dazu beitragen Neben rein kologischen Aspekten sind jedoch hierbei auch konomische Aspekte zu ber cksichtigen Dabei werden nur diejenigen Ma nahmen im stark umk mpften Markt bestehen k nnen die den gegebenen Emissionsan forderungen unter Ber cksichtigung der konomischen Gesichtspunkte Investitions sowie Betriebskosten gerecht werden DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 4 2 Dieselmotorische Abgasemissionen 2 1 Funktionspr
176. nnannnn 4 2 1 FUNKTIONSPRINZIP EINES VERBRENNUNGSMOTORS unsnsunssennsnnnnnnnneennnnnnnnnnnnnne namen nenn 4 2 2 DIE MOTORISCHE VERBRENNUNG unnnnensnnesssnensnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnsnnnnnnnnnnnnnnnenr ren 8 2 3 ABGASGESETZGEBUNG IN EUROPA uunnneessnsensnnnnsnnnnnnnnennnnnnnnnnnnnnnnnnnnnennnnnnnnnn nennen nn 9 2 3 1 European Stationary Cycle ESC uu 224440sssnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnn sn nnnn ann 11 2 3 2 European Transient Cycle ETO ai E E T 11 2 4 GASFORMIGE EMISSIONEN 42 2 ensure A eee ae 12 2 5 PARTIKELF RMIGE EMISSIONEN 00ccccecceeeceeeeeeeceeeecsaeeeeeeeceaeeeesaaeeeeeeeseneeesiaeeseieeeeenees 14 2 5 1 Zusammensetzung und Struktur von Dieselabgaspartikeln 14 2 5 2 Partikelgr enverteilung 4s4444444Rnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nn 17 25 3 WRUIBDIIGUNG 22 rem dran rau EA E T 20 3 MOTORENPRUFSTANDE u 4 222 ee a 27 3 1 AUFBAU EINES MOTORENPR FSTANDES uurznuunssesnsnnennsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnennnnnn ten 27 3 2 MESSWERTERF SSUNG nina nie Mean 27 3 3 ABGASMESSTECHNIK AM MOTORENPR FSTAND unneensssessssnnsnnnnnnnnennnnnnnnennnnnnnnnnnr nen 28 3 3 1 Chemolumineszenzdetektor CLD zur NO NO Messung sense 28 3 3 2 Flammenionisationsdetektor FID zur Kohlenwasserstoffanalyse 30 3 3 3 Nichtdispersiver Infrarotanalysator NDIR zur CO CO Messung
177. nteile zu erkennen Der Anteil der h hersiedenden motoren lgenerierten Kohlenwasser stoffanteile wird zu 85 90 vermindert Aufgrund der Streuung der Einzel messwerte wurden jeweils Mittelwerte aus 4 Messungen gebildet Die FSN Werte Filter Smoke Number im ESC wurden mittels zweier Rauch messger te 2x AVL 415S simultan vor und nach dem PM KAT System bestimmt Die mittels MIRA Korrelation 5 4 aus den FSN umgerechnet in PMrus mg kWh ermittelten Umsatzwerte zeigt Abbildung 103 Die so berechneten Ums tze lagen zwischen 60 und 70 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 141 100 Lu aa ul aaa hi aC a a i ia aaa ce E Abscheidung PM Kat BO Bestsnee role cence Horntetornnctcennmnmest LORSERERSEERL SEE en EB ota MEESE EES anan mE BE mu 540 DE BE mE Su mE BE ou ze BE ou Zu 5 TEE u oe BE o DE Su mE BE o Su me BE o mu Zu 5 Ru abscheidung oc Ei Eu En GES 2 0 E o BE o BE oz o Ze DE Du zZ BE hee EEE DE DE mE Oo ZZ DE BE En zZ mE mu Zu 5 LL A A A A B B B B Cc Cc Cc Cc 25 50 75 100 25 50 75 100 25 50 75 100 Abbildung 103 RuBumsatz des PM KAT Systems im ESC berechnet aus den FSN Werten AVL 415S Die mittels PASS bestimmten Ru konzentrationen zeigen die folgenden Abbildungen 103 104 Das Verd nnungsverh ltnis des verwendeten Tunnels lag mit Ausnahme des Leerlaufs q 48 zwischen 1 5 und 1 14 Die Ru konzentrationen wurden entsprechend dem Verd nnungsverh ltnis k
178. o PAK Bestimmung wurde dieselbe Probe in ein LC MS Waters ZQ 2000 Trenns ule Waters Symmetry C18 injiziert und mit APCI negative mode im SIM gemessen Die ey zeigt Tabelle Benzo a pyren a m Benz ajantracen p en 23 Bena Deen gase aee a i ea penzi ren m Pyer ss Summe 26 6 Dibenzia pyren m 1 Nitropyren 2 14 Be Tabelle 19 PAK Anteile der Ru probe bestimmt mit HPLC Fluoreszenzanalyse nn Nachweisgrenze lt 0 01 ppm Die PAK Konzentration ist mit 2 9ppm f r die Summe der cancerogenen Polyaromaten gering Dies gilt auch f r die Gesamtsumme der bestimmten PAK 8 5 7 Diskussion der Ergebnisse der Charakterisierung von Dieselabgaspartikeln In 8 5 1 wurden Elementaruntersuchungen von DPM Proben durchgef hrt Der berwiegende Anteil der Elemente Calcium Zink und Phosphor hat seinen Ursprung im Motoren l In diesem liegen die Elemente als organisch komplexierte Verbindungen vor Sie dienen dort dem Motorenverschlei schutz Schwefel verbindungen kommen sowohl in geringem Ma e im Motoren l als auch im Kraftstoff vor Eisen kann dem Motorenabrieb zuzuordnet werden Kupfer wird anfangs vom Motor lk hler emittiert Kupferl tung Es wird auch in verschiedenen Lagern im Motor Nockenwelle Kipphebel Kurbelwelle usw verwendet und kann aus diesen emitiert werden In 8 5 5 wurde die CHNSO Anteile von verschiedenen Ru proben bestimmt Bei der Ru probe A1 aus der Abscheideanlage sind
179. obenvorbereitung ist eine gute bereinstimmung zwischen der Plasma veraschung und dem Mikrowellen S ure Aufschlu bei der Untersuchung mittels ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 153 TXRF zu erkennen Bei Vergleich zwischen TXRF und ICP MS sind Ab weichungen von bis zu 35 zu erkennen Ausgehend von einem theoretischen lverbrauch von 0 05 g kWh und den bekannten Anteilen an Phosphor Schwefel Calcium und Zink im verwendeten Motoren l wurde eine Absch tzung der theoretischen Anteile dieser Komponenten auf dem Filter unternommen Die Absch tzung weicht um bis zu 50 von den gemessenen Werten ab wobei bei 1800 min und 100 Last die Calciumemission bersch tzt und die Zink und Phosphoremission untersch tzt werden 25 0 E TXRF plasmaverascht E TXRF aus Aufschlu V1 ee T ICP MS aus Aufschlu E Absch tzung 15 0 D e 10 0 5 0 0 0 P S Element Ca Fe Cu Zn Abbildung 110 Elementarzusammensetzung der wichtigsten Nichtkohlenstoff bestandteile von Dieselabgaspartikeln Methodenvergleich f r Filter 3 4 Motor 1800m 50 Last Sammelzeit 20 min Theoretische Absch tzung f r lverbrauch von 0 05 g kWh In Abbildung 110 ist die Elementarzusammensetzung der wichtigsten Nicht kohlenstoffbestandteile beim Motorbetriebspunkt 1800 min und 50 Last dar gestellt Die Calciumemission bewegt sich im Bereich zwischen 8 ug f r ICP MS Aufschlu und 17 ug TXR
180. ogarithmisch dargestellt Die Maxima der Akkumulationsmoden vor und nach dem Filter liegen mit Eisen additiv etwa 40 unter dem Maximum der Akkumulationsmode ohne Additiv 1 0E 16 100 1 0E 15 99 5 3 1 0E 14 Z 99 T o kt x D 5 Vor Filter ohne Additiv 5 oa 1 0E 13 Nach Filter ohne Additiv 98 5 3 Q gt lt Vor Filter mit Additiv a Nach Filter mit Additiv 2 2 Abscheidung ohne Fe lt S 1 06412 e Abscheidung mit Fe 98 xe 1 0E 11 97 5 1 0E 10 97 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 68 PartikelanzahlgroBenverteilung logarithmische Darstellung sowie Abscheidung im ESC Summenwerte bestimmt mittels SMPS vor nach und mit ohne Fe Additiv Das Eisenadditiv f rdert schon im Brennraum die Ru oxidation Die anzahl bezogene Abscheidung liegt mit und ohne Additivzusatz ber 99 5 Es ist keine Verbesserung der Abscheidung durch die Zugabe des Additivs festzustellen Durch den Zusatz des Additivs erh ht sich jedoch die Nukleationsmode um den Faktor 100 ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 110 8 4 1 2 Messungen an einem Euroll Motor mit einem Sintermetallfilter An einem Euroll Busmotor D2866 LUH 21 22 191 260 kW 11 97 I wurde ein unbeschichteter Sintermetallfilter 101 102 Fa HJS mit einem Voroxidations katalysator charakterisiert Der Filter wurde in Kombination mit einem Oxidations katalysator in einem leeren CRT Modul ver
181. on cm cm 2299 2315 2160 2144 CO2 Linear E 2369 95 2354 2410 2395 2382 2 2298 1930 8 1926 6 1258 1246 NO Linear E 1926 8 1926 2 1984 1971 1913 35 1911 9 1633 13 1629 83 NO2 Linear B i 1586 1 1584 1 1589 1 1584 1 H20 Linear B 2047 5 1977 Tabelle 21 Integrationsfunktionen Grundlinienpunkte und Integrationsbereiche der Komponenten CO NO NO und H20 In Tabelle 21 sind die Integationsbereiche sowie Grundlinienpunkte f r die untersuchten Komponenten CO2 NO NOz und H20 aufgef hrt Die verwendeten Integrationsbereiche bei den verschiedenen Komponenten wurden w hrend dieser Arbeit st ndig optimiert und den Versuchsbedingungen angepasst Die in Tabelle 21 aufgef hrten Bereiche stellen die Optima der in dieser Arbeit verwendeten Bereiche dar F r eine Wegl nge von 0 8 m und einer spektralen Aufl sung von 0 2 cm Wenn bei einer Komponente mehrere Integrationsbereiche verwendet wurden so erfolgte die Bildung eines Mittelwertes LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 173 9 3 Oxidationsexperimente Nach dem K hlen des MCT Detektors wurde die Gaszelle auf 125 C beheizt und dabei von Stickstoff durchstr mt Der Oxidationskatalysator wurde ebenfalls auf 300 C aufgeheizt Nach etwa 1 2 h wurde ein stabiler Zustand Signal erreicht und es wurde ein Hintergrundspektrum aufgenommen Nun erfolgte die Zu sammenstellung der ben tigten Reaktionsgase Der FBR wurde dabei mittels Bypass umgangen
182. onenten Abgasmessung hnlich der NDIR Analyse basiert auch die Fourier Transform Infrarot Spektros kopie FTIR auf der Absorption von Infrarotstrahlung einer f r jede Molek lart charakteristischen Wellenl nge Wird eine Me k vette in den Strahlengang ein gebracht so wird die Intensit t der IR Strahlung bei molek lspezifischen Wellen l ngen geschw cht Anders als bei der NDIR Analyse kann man hierbei nicht nur eine einzige charakteristische Wellenl nge untersuchen und damit die Konzentration einer bestimmten Abgaskomponente bestimmen sondern durch den Einsatz eines Interferometers ist man in der Lage einen weiten Wellen l ngenbereich zu erfassen und dadurch mehrere Stoffe gleichzeitig zu detektieren Das aufgenommene Interferogramm wird mittels einer Fouriertransformation in ein auswertbares Spektrum umgewandelt Insbesondere stickstoffhaltige Ver bindungen sind so simultan und direkt zu analysieren Deshalb ist bei der Messung von NO das FTIR der artefaktbehafteten CLD Methode vorzuziehen Bei den Kohlenwasserstoffen sind nur die kurzkettigen Verbindungen eindeutig zu identifizieren eine Bestimmung der Gesamtkohlenwasserstoffe ist m glich Die Konzentrationsausgabe max 24 Komponenten erfolgt mittels einer rechner gest tzten Auswertung CLS in Echtzeit MOTORENPR FST NDE 33 Optisches Messsystem Abbildung 17 Aufbau eines FTIR Spektrometers zur Multikomponentengasanalyse im Dieselmotorenabgas 32 Legende 1 Abgas
183. onsminimierung vor allem auf der Partikelseite ist die Erh hung des Einspritzdruckes Dies kann z B durch ein Common Rail System erreicht werden Das Common Rail System Abbildung 31 zeichnet sich dadurch aus dass der hohe Einspritzdruck unabh ngig vor der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt wird Durch die Entkopplung von Druckerzeugung und Einspritzung erh lt man f r die Verbrennungsoptimierung einen zus tzlichen Freiheitsgrad Der Einspritzdruck kann durch eine Hochdruckpumpe unabh ngig vom Betriebszustand des Motors frei gew hlt werden Der von der Hochdruckpumpe aufgebrachte Systemdruck wird in einer Verteilerleiste dem so genannten Common Rail CR aufrecht erhalten und ber einen Hochdruckanschlu dem CR Einzelinjektor zugef hrt KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 59 b or cit 1 LIE NG i A tL cl oh 5 d M Abbildung 31 Schema der Common Rail Einspritzung Legende 1 Kraftstoff beh lter 2 Zahnradpumpe 3 Kraftstofffilter 4 Zentrale Hochdruck pumpe 5 Gemeinsame Verteilerleiste 6 Druckbegrenzungsventil 7 Injektor 8 EDC Steuerger t 9 Zumesseinheit 10 Steller 11 Rail drucksensor 12 Drehzahlgeber Kurbelwelle 13 Drehzahlgeber Nockenwelle 14 Fahrpedalgeber 15 Sensoren a Kraftstoff Saug leitung b Kraftstoffhochdruckleitung c Kraftstoff berstr mleitung d elektrische Steuerkabel e elektrische Sensorenkabel 6
184. oren l vorkommen und in der h hermolekularen Fraktion Polymerisationsprodukte aus niedermolekularen Komponenten Weiter besteht ein bergangsbereich in dem Kettenl ngen erfasst werden die sowohl im Kraftstoff als auch im Motoren l vorkommen H hermolekulare und niedermolekulare Komponenten der SOF besitzen aufgrund ihrer Kettenl nge bzw Molek lgr e unterschiedliche Siedebereiche so da ihr Massenverh ltnis zueinander durch Gaschromatographie oder eine thermo gravimetrische Analyse festgestellt werden kann Bei der klassischen Durchf hrung wird ein mit Dieselru beladener Filter in einer Soxhlet Apparatur mittels Dichlormethan f r mindestens 10 Soxhlet Zyklen extrahiert 36 Dabei wird der organisch l sliche Anteil SOF gewonnen zur ck bleibt der organisch unl sliche Anteil INSOF In dieser Arbeit wurde statt der klassischen zeitaufwendigen Soxhlet Extraktion die schnellere Extraktion mittels ASE Accelerated Solvent Extraction verwendet Hierbei wird bei hohem Druck und hoher Temperatur 150 bar 200 C gearbeitet vgl 8 5 3 Der Filter wird vor und nach der Prozedur gewogen die ermittelte Differenz entspricht dem organisch l slichen Anteil Der gewonnene Extrakt kann mittels GC weiter untersucht werden um ihn in einen Kraftstoff und Motoren lanteil aufzutrennen 37 CHEMISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 38 4 2 Kohlenstoff Die Bestimmung des Kohlenstoffanteils in Dieselru ist mit verschiedenen Verfa
185. orrigiert und stellen jetzt Rohabgaskonzentrationen dar In Abbildung 104 ist die Ru emission vor und nach dem PM KAT System im ESC die mittels PASS bestimmt wurde zu erkennen Deutlich auff llig ist die hohe Roh emission in der zweiten Messstufe Drehzahl A 100 Last dies wird durch das Turboladerloch sowie das Ansprechverhalten der Wasserbremse Be schleunigung aus dem Leerlauf verursacht Die Emissionen der anderen ESC Stufen vor dem PM KAT liegen zwischen 4 und 10 mg m Nach dem PM KAT liegen die Emissionen mit Ausnahme der Stufe 2 bei 1 2 mg m ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 142 40 vor PM KAT nach PM KAT A100 B50 B75 A50 A75 A25 B100 B25 C100 c25 c75 50 o oa o N oa Ru konzentration mg m a 8 o 0 240 480 720 960 1200 1440 1680 Laufzeit s Abbildung 104 Ru konzentration w hrend des ESC vor und nach dem PM KAT System bestimmt mittels PASS ee ee ee ee 10 vor PM KAT nach PM KAT 90 5 Niall ai Unies Integral vor PM Kat Integral nach PM Kat 2 BO el en 8 x E When Peace anne 7E G E a a RRR AAR Halak aiak seat 6E N E 50 4 1 F4 f 7 4 44 anne nn 55 2 0 H1 1 1 27 11 4c lt g o lei ttl ee cans can 3g 20 ine WA il a me 22 10 il i N My j 1 Nun ia N N ll N Mil M Al I i A 0 A mf i MW irl i LRM Al Nhe Mlan N m HN F
186. osolfluss wird durch eine D se in Richtung einer Prallplatte beschleunigt 46 PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 40 Stromlinien Impaktor _ d se Abbildung 20 Querschnitt durch einen Impaktor 46 Die Prallplatte zwingt den Aerosolstrom zu einer 90 Ablenkung Partikel mit einer zu gro en Massentr gheit sind nicht in der Lage dem Aerosolstrom zu folgen und treffen auf die Prallplatte Kleinere Partikel k nnen dem Aerosolstrom folgen ohne auf die Prallplatte zu treffen und verlassen den Impaktor Der Impaktor wird im SMPS System verwendet um Partikel zu entfernen die gr er als ihre bekannte aerodynamische Gr e sind Der aerodynamische Durchmesser bei dem Partikel getrennt werden wird als Abscheidedurchmesser Cut Point Diameter bezeichnet Der Abscheidedurchmesser ist eine Funktion der Impaktorflussrate und des D sendurchmessers Mit dem Impaktor werden beim SMPS Partikel entfernt die gr er sind als der aerodynamische Durchmesser bis zu welchem der Beitrag an Mehrfachladungen der Partikel korrigiert werden kann Mittels Gleichung 2 kann der Abscheidedurchmesser berechnet werden 9 7 St u W Daa i 50 io C Gleichung 2 Dso Partikel Abscheidedurchmesser cm St Stokes Zahl 0 23 po Partikeldichte g cm Q Gasfluss cm s PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 41 C Cunningham Slipkorrekturfaktor 48 1 Kn a B exp y Kn a 1 142 B 0
187. palt am unteren Ende des DMA verlassen Diese Partikel k nnen dann einem Partikelz hler z B CPC zugef hrt werden um dort die Partikelkonzentration zu bestimmen Die im Klassierer verbliebenen nicht abgeschiedenen Partikel werden durch einen berschu Excess Gasfluss entfernt PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 43 Ladungstheorie Die Partikelladungsverteilung die fur die Datenreduktion des SMPS verwendet wird basiert auf einem theoretischen Modell das von Wiedensohler et al 49 entwickelt wurde und eine N herung an die Fuchs sche Diffusionstheorie 50 fur Partikel im Mikrometerbereich ist 100 10 F N 1 N positiv a a a eN negati TA 10 100 nm 1000 Dp Abbildung 22 Bipolare Partikelladungsverteilung in Luft 51 Abbildung 22 zeigt die gemessenen Daten von Wiedensohler et al und die theoretischen Kurven die auf der Fuchs schen Theorie basieren und von Wiedensohler et al berechnet wurden 51 Die theoretisch bestimmte Ladungs verteilung stimmt gut mit den experimentellen Daten berein Man kann in der Abbildung 22 erkennen dass sich der Anteil an positiv geladenen Partikeln von dem Anteil an negativ geladenen Partikeln unterscheidet Die Partikel Mobilit tstheorie Wie bereits erw hnt werden nur Partikel in einem schmalen Bereich elektrischer Mobilit t vom DMA extrahiert und vom Partikelz hler detektiert Zur Bestimmung der Partikelgr e die dies
188. pr fstand Diplomarbeit FH N rnberg 2004 Bedienungsanleitung des FTIR IFS 66 S Bruker Optics Ettlingen Messerer A Beitrag zur Entwicklung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Ru partikel deposition und oxidation im Abgasstrang von Nutzfahrzeugen M nchen Dissertation 2005 Yezerets A N W Currier H Eadler S Popuri A Suresh Quantitative Flow Reactor Study of Diesel Soot Oxidation Process SAE Technical Paper Series 2002 01 1684 2002
189. ration des Ru es elementarer Kohlenstoff Die Selektivit t basiert auf der Wahl einer Anregungswellenl nge 810 nm bei der nur schwarzer Kohlenstoff PHYSIKALISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 52 Photonen absorbiert Der Aufbau des in dieser Arbeit verwendeten Ger tes Prototyp TU M nchen ist in Abbildung 27 dargestellt Die Nachweisgrenze dieses Ger tes liegt bei 1 g m BC bei einer Zeitaufl sung lt 1s Ein entsprechend modifiziertes Ger t wurde von der Fa AVL unter dem Namen MSS Micro Soot Sensor AVL 483 kommerzialisiert Das zu messende Abgas wird ber einen Schlauch von der ger teinternen Pumpe mit einem Volumenstrom von 1 l min angesaugt Zur Beschleunigung des Gas flusses vom Ort der Probennahme zur PA Zelle wird ein Parallelstrom von 1 l min unmittelbar vor der Zelle angesaugt Eine umfangreiche Beschreibung der Photo akustik bei der Emissionsmessung im Automobilbereich findet sich in 24 Die Kalibrierung des in dieser Arbeit verwendeten Ger tes erfolgte gegen ein Rauch messger t AVL 415S Dabei wurden bei Station rpunkten die FSN Filter Smoke Number Werte bestimmt und in eine Ru konzentration umgerechnet vgl 5 4 Die gemessenen PASS Spannungswerte wurden entsprechend der Vor verd nnung eingestellten Verst rkerempfindlichkeit sowie Offset umgerechnet korrigiertes Signal Die dabei ermittelte Korrelation zeigt Abbildung 28 Die f r die Arbeit durchgef hrten PASS Messungen einer Ru konzentration wur
190. rend eines ESC werden die 13 einzelnen anzahlbezogenen Gr enverteilungskurven die mittels SMPS bestimmt wurden zu einem ESC Summenergebnis zusammengefasst Hierzu werden die gemessenen Einzelstufenergebnisse mit der Einheit Partikel cm mit der Abgasdichte 1 29 g cm und der Abgasmasse in Partikel mg umgerechnet Diese Werte werden auf Rohabgaskonzentration umgerechnet und dann gewichtet und leistungskorrigiert aufsummiert Die Berechnung zeigt Gleichung 1 3 5 Partikel lke q Wp M gas La Partikel kwh h Gleichung 1 13 I Plkw w n 1 q Verd nnungsverh ltnis We Stufenwichtungsfaktor im ESC vgl 2 3 1 Mabgas Abgasmassenstrom kg h Mut Mxrattstott P Leistung kW CHEMISCHE METHODEN DER PARTIKELANALYTIK 37 4 Chemische Methoden der Partikelanalytik 4 1 Organisch l slicher Anteil SOF Bei der Partikelanalyse werden die Bestandteile der SOF SOF Soluble Organic Fraction aufgrund ihres physikalischen Verhaltens identifiziert Dabei wird angenommen dass die niedermolekularen Komponenten der SOF aus nieder molekularen Ausgangsstoffen gebildet werden w hrend die h hermolekularen Komponenten aus h hermolekularen Ausgangsstoffen resultieren Dies bedeutet dass die niedermolekularen Komponenten dem Dieselkraftstoff zugesprochen werden k nnen und die h hermolekularen dem Motoren l Dabei muss aber ber cksichtigt werden dass in der niedermolekularen Fraktion Crackprodukte aus dem Mot
191. rifft kann dieser ohne Einfluss der Brown schen Diffusion bzw der Massentr gheit abgeschieden werden Keramische Sch ume und Keramikgarnfilter werden oft als Dieselpartikel Tiefen filter bezeichnet Keramische Sch ume sind positive Abbildungen von Schw mmen die nach dem Prinzip der Tiefenfiltration arbeiten 71 72 und 73 Keramische Sch ume fungieren nicht unbedingt als Absolutfilter 100 Abscheidung da ihre Abscheidegrade von der Abgasgeschwindigkeit der Filter l nge Porengr e und der Oberflachenrauhigkeit des Filters abh ngen 74 77 KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 65 Keramische Faserfilter bestehen aus einer Anzahl von gelochten Tr gerrohren um die keramische Fasern SiO2 oder SiOz AlzO3 in einem definiertem Muster gewebt wurden Abbildung 36 Ungefilterter ail go Gasfluss IN Gefilterter Gasfluss Versiegeltes Ende Gelochtes Edelstahlrohr Gewobe keramische Fasern Abbildung 36 Aufbau und Gasfluss in einem keramischen Faserfilter 3M Die Tr gerrohre werden in einem Schalld mpfer verbaut und das Abgas wird von au en nach innen durch die Fasern gef hrt Aufgrund ihrer Bauweise werden die Filter auch als Kerzenfilter bezeichnet Der Vorteil dieser Faserfilter ist ihre gute Filtrationseffizienz bei geringem Gegendruck Die Abscheideffizienz von 75 99 wird durch die Filtrationsmechanismen erreicht Anf nglich ist die Abscheidung gering steigt dann aber w hrend d
192. rsg 23 Internationales Wiener Motoren symposium 25 26 April 2002 Band 2 Fortschritt Berichte VDI Reihe 12 Nr 490 D sseldorf VDI Verlag S 196 216 2002 Jacob E D Rothe R Schl gl D S Su J O M ller R Nie ner C Adelhelm A Messerer U P schl K Mullen C Simpson Z Tomovic Dieselru Mikrostruktur und Oxidationskinetik H P Lenz Hrsg 24 Internationales Wiener Motorensymposium 15 16 Mai 2003 Fortschritt Berichte VDI Reihe 12 D sseldorf VDI Verlag Nr 539 Band 2 S 19 45 2003 Schindler W C Haisch H Beck R Nie ner E Jacob D Rothe A Photo acoustic System for Time Resolved Quantification of Diesel Soot Emissions SAE Technical Paper Series 2004 01 0968 2004 Messerer A D Rothe U P schl R Niessner Advances in the Development of Filterless Soot Deposition Systems for the Continuous Removal of Diesel Particulate Matter Topics in Catalysis 30 31 S 247 250 2004 Su D S J O Muller R Jentoft D Rothe E Jacob R Schl gl Fullerene like Soot from EurolV Diesel Engine Consequences for Catalytic Automotive Control Topics in Catalysis 30 31 S 241 245 2004 Su D S R E Jentoft J O M ller D Rothe E Jacob C Simpson K M llen A Messerer U P schl R Nie ner R Schl gl Microstructure and Oxidation Behaviour of EURO IV Diesel Engine Soot a Comparative Study with Synthetic Model Soot Substances Catalysis Today 90
193. ruppe Hierbei habe ich besonders Herrn Dipl Ing Armin Messerer zu danken mit dem ich 1 5 Jahre am Institut forschen durfte Bei der MAN Nutzfahrzeuge AG in N rnberg m chte ich allen Mitarbeitern der Abteilung Motorenvorentwicklung danken die mich bei meiner Arbeit unterst tzt haben Dank geb hrt hier dem Leiter der Motorenvorentwicklung Herrn Dipl Ing Roland von Hoerner und dem Leiter der Abgasnachbehandlungsgruppe Herrn Dipl Ing Gerhard Emmerling Herrn Dr Eberhard Jacob geb hrt besonderer Dank f r die Erm glichung und Betreuung der Arbeit F r die gute Zusammenarbeit m chte ich den Herren Dipl Ing Frank Ingo Zuther Dipl Ing Stephan Reisch Dipl Ing Andreas Pappenheimer und Dipl Ing J rgen Lorenz danken F r handwerkliche Unterst tzung bei den Motorenversuchen danke ich den Herren Tobias Fleischmann Lothar Englmann und Simone Avitabile F r Hilfe bei der Korrektur der Arbeit sowie den blichen WORD Problemen danke ich den Herren Dr Ing Joachim Wei Dipl Ing Dirk Weberskirch und Herrn Dipl Ing Marco Tilinski Dank geb hrt auch meinem B rokollegen Herrn Dipl Ing Andreas D ring f r die zahlreichen wissenschaftlichen und nichtwissenschaftlichen Diskussionen Zum Schlu m chte ich noch meinen Eltern f r die Unterst tzung danken INHALTSVERZEICHNIS VIII 1 EINLEITUNG Mt ee cente T E E E E E E E 1 2 DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN uussusnsannsnannnnnonnnnnnnnnnnnnnnannnnnannnnnnnnnannn
194. sammenlagern In Folge k nnen sich daraus Ru prim rpartikel bilden Auch bei der Acetylenthypothese kann ein h herer Aromatengehalt im Kraftstoff die Ru bildung f rdern Die durch die Oxidation von aliphatischen Kohlenwasser stoffen gebildeten Radikale und Acetylenmolek le k nnen sich an bereits vorhandenen Aromaten anlagern und damit die Ausbildung von Ru vorl ufern ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 106 f rdern Die Aromaten dienen damit quasi als Kondensationskerne f r die Ru bildung Der Einfluss des Aromatengehaltes der untersuchten Dieselkraftstoffe auf das Emissionsverhalten darf selbstverst ndlich nicht isoliert betrachtet werden Es gibt eine Reihe von Kraftstoffparametern die das Emissionsverhalten bestimmen Anteil an Polyaromaten Dichte Schwefelgehalt Heizwert Siedeverlauf Viskosit t Cetanzahl Bei hydriertem Biodiesel verringerte sich der Z ndverzug aufgrund der hohen Cetanzahl um etwa 1 KW Dadurch konnte eine effektivere Verbrennung geringere Spitzentemperaturen erreicht werden was die NO Emissionen veringerte Durch den hohen Wasserstoffanteil ist es auch m glich dass sich mehr Wasserdampf im Brennraum bildet Dieser senkt ebenfalls die Ver brennungstemperatur aufgrund seiner hohen spezifischen Warmekapazitat hnlicher Effekt wie bei der AGR Durch die Reduzierung der NO Emission um 10 beim hydrierten Biodiesel w re es m glich diese wieder durch motorische Ma
195. samten Zeitraum reproduzierbar gemessen werden Dies zeigt die konstante Ru emission des Motors Die Nukleationsmode hingegen zeigt Uber etwa 50 min eine Abnahme und erst dann ein Beharrungsverhalten Hier ist die bereits erwahnte starke Abhangigkeit der Nukleationsmode von der Art der Probenahme zu erkennen Die entsprechenden Ergebnisse der Langzeitmessung nach dem PM KAT sind in Abbildung 89 gezeigt ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 128 dN dlog Dp 10 Partikel cm 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm Abbildung 89 Langzeitverhalten der Partikelanzahlkonzentration bei einem ESC Stationarpunkt Stufe 7 gemessen mit SMPS Messintervall 5 min nach dem PM KAT System Man findet auch hier die schon bei Abbildung 88 beschriebene starke Variabilitat der Nukleationsmode Diese Variabilitat besteht wahrend der gesamten Messzeit von 55 min Das Maximum der Akkumulationsmode steigt in den ersten 15 min um etwa 10 an und bleibt dann stabil 8 4 2 3 Charakterisierung verschiedener EMITEC PM KAT Systeme An einem Comon Rail EurolV Versuchsmotor MAN D0836 LF40 6 91 228kW mit 2 stufiger Aufladung und externer steuerbarer gek hlter AGR wurden verschiedene PM KAT Systeme mit EMITEC Partikelabscheidern bez glich ihrer Partikelreduktionsraten untersucht Oxidationskatalysator in allen Versuchen Oberland Mangold Beschichtung Umicore 40 g Pt ft 3 851 Als Betriebs
196. schen Ma nahmen weitere zur Abgasnachbehandlung erforderlich Trotz guter Ergebnisse hinsichtlich der Partikelreduktion Abscheideraten ber 90 sind jedoch zurzeit noch klassische Partikelfiltersysteme im Nutzfahrzeugbereich nicht praxistauglich Im Hinblick auf die hohe Kilometerleistung von ber einer Millionen km Wartungsfreiheit und geringem Kraftstoffverbrauch sind offene PM KAT Systeme den klassischen Wall flow Ru partikelfiltern berlegen ZUSAMMENFASSUNG 182 Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten PM KAT Systeme der Fa EMITEC sind denen von Oberland Mangold hinsichtlich Partikelreduktion berlegen Oberland Mangold Systeme liegen bei etwa 45 Partikelreduktion w hrend Systeme der vom EMITEC Umsatzraten von etwa 60 zeigen PM KAT Systeme der Firma EMITEC werden bei der MAN Nutzfahrzeuge als Abgasnachbe handlungssystem f r die EurolV Grenzwertstufe eingesetzt Bei beiden Systemen besteht ein Potential die Konvertierungsraten zu erh hen Allgemein ist bei der Charakterisierung von Abgasnachbehandlungsystemen die alleinige Bestimmung der gravimetrischen Gesamtpartikelabscheidung unzu reichend Die Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung liefert hier wertvolle Hinweise bez glich der gr enaufgel sten Partikelabscheidung Weiterhin ist das in dieser Arbeit verwendete PASS System sehr gut geeignet sowohl im ESC als auch im ETC die Kohlenstoffkonversion zu bestimmen Zus tzlich ist oft eine differenzi
197. schwindigkeit durch den Oxidationskatalysator sowie der Abgastemperatur Die gemessenen Temperaturen vor dem Schalldampfer wahrend des ESC und ETC sind in Abbildung 78 zu sehen Die sich daraus ergebenen Temperatur haufigkeiten zeigt Abbildung 79 Im ESC herrscht bei etwa 50 der Laufzeit Stufenpunkte eine Temperatur Uber 400 C Bei ETC liegt bei etwa 50 der Laufzeit Punkte die Temperatur Uber 300 C Der ESC hat damit ein um etwa 100 K h heres Temperaturniveau ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 120 600 500 40 So Ill Im alk ae ih PALAPYE UN T Abgas C o So So 200 100 0 T T T T T T T 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 Laufzeit s Abbildung 78 Temperaturverlauf vor dem Schalldampfer wahrend des ESC und ETC TPC 150 200 250 300 350 400 450 500 550 100 150 200 250 300 350 400 450 te tet i a a al 7 1 u 1 804 4 80 4 u 4 5 05 4 160 5 3 8 2 40 40 5 5 7 7 0 20 1 aE I 7 7 20 4 a 4 a 4 20 a a u q 400 n 250 3504 4 J 4 200 300 4 4 250 4 z 1 150 GN a 200 4 Z 4 oa Yj 1 8 lt 1504 4 pa 4 100 lt 100 7 J J 4 50 ig i bz i 7 it VY 4 0 A MLLA WO LLLA 1 d 0 150 200 250 300 350 400 450 500 550 100 150 200 250 300 350 400 450 Klassierung TPC Klassierung Abbildung 79 Wahrscheinlichkeit und Histogramm
198. serstoffe der Partikel 8 5 Chemische Charakterisierung von Dieselabgaspartikeln Im Folgenden werden verschiedene Methoden zur chemischen Charakterisierung von Dieselabgaspartikeln vorgestellt und erprobt 8 5 1 Elementaranalysen Im Rahmen einer Messkampagne am Institut f r Wasserchemie TU M nchen im Mai 2001 wurden verschiedene analytische Methoden angewendet um die elementaren Nichtkohlenstoffanteile in Dieselabgaspartikeln zu bestimmen Zum Einsatz kamen TXRF und ICP MS Die Probenvorbereitung orientierte sich dabei an folgenden Arbeiten 44 112 und 113 Probennahme Die Probennahme erfolgte am Motorenpr fstand mittels eines Verd nnungs tunnels NOVA Mikrotrol 4 An einem EurolV Versuchsmotor MAN D0836 mit Standardeinstellungen wurde bei verschiedenen konstanten Lastpunkten 1800 min 1210 Nm 605 Nm und 302 Nm f r 15 min Abgas auf Cellulose acetatfiltern Sartorius 3um PG 70 mm gesammelt Es wurde ein Diesel kraftstoff mit einem Schwefelgehalt von 7 ppm verwendet Die Zusammensetzung des verwendeten Motorenols Shell Rimula Ultra findet sich in Tabelle 10 Es wurden insgesamt 6 Filterproben je 2 pro Lastpunkt gesammelt Die Beladung lag hierbei etwa im Bereich von 0 5 mg Probenvorbereitung Die Filter wurden halbiert Eine Filterhalfte wurde in einer Kunststoffzelle mit 1 ml 30 H202 Fluka 5 ml 65 HNO Fluka subboiled sowie 10 ul eines Ga Standards 1 mg l versetzt und dann mittels Mikrowelle
199. smode liegt bei 11 nm Das Maximum der Akku mulationsmode liegt bei etwa 40 nm Bei der Messung nach dem PM KAT System ist keine Nukleationsmode vorhanden Das Maximum der Akkumulationsmode ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 118 liegt bei 42 nm Die anzahlbezogene Gesamtpartikelabscheidung liegt im Bereich der Nukleationsmode bei nahezu 100 und im Bereich der Akkumulationsmode zwischen 60 und 65 Der gravimetrisch ermittelte Gesamtpartikelumsatz im ESC f r dieses System lag bei 72 PM KAT Systems mit Mikrokugel beschichtung zeigten gute Ergebnisse und wurden dementsprechend weiter verfolgt 8 4 2 2 Charakterisierung eines Oberland Mangold PM KAT Systems in einem seriennahen Schalld mpfer An einem Euroll Motor MAN D2866 LF 30 31 291 kW 11 971 wurde ein in einem Schalld mpfer SD verbautes PM KAT System vermessen Abbildung 76 105 106 m Vor Kat 3 21 PM Abscheider 10 6 1 1 x 200 x 101 6 4x 150x 150 Abbildung 76 PM KAT System in einem TGA Schalldampfer verbaut Wie in Abbildung 76 zu erkennen ist durchstr mt das Abgas zuerst den Oxidationskatalysator Tr ger Oberland Mangold WF 200 cpsi Beschichtung Umicore 40 g Pt ft gelb in dem die Kohlenwasserstoffe sowie Kohlenmonoxid oxidiert werden Zus tzlich wird dort das zur Kohlenstoffoxidation notwendige NO2 gebildet In Abbildung 77 ist der Ante
200. stoff wurde ein Dieselkraftstoff Cleanlife Diesel mit einem Schwefelgehalt von 6 ppm verwendet F r die Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung mittels SMPS wurde in einem Fall ein Referenzdieselkraftstoff Shell Versuchsdieselkraftstoff ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 129 mit einem Schwefelgehalt von lt 4 ppm sowie ein entsprechendes Gasmotoren l aschearm verwendet Die Spezifikationen der verwendeten Motoren le Shell Rimula Ultra und Shell M1523 als Referenz l k nnen Tabelle 10 S 94 entnommen werden Zur Partikelabscheidung wurden Module des Typs BC in verschiedenen L ngen und Modulzahlen untersucht Um einen schnellen Wechsel der einzelnen Elemente zu gew hrleisten kommt ein Wechselschalld mpfer beh lter zum Einsatz Abbildung 90 Abbildung 90 Wechselschalld mpfergeh use V Voroxidationskatalysator P Partikelabscheider mit Spannvorrichtung 67 Der Typ BC Abbildung 37 besteht aus einer Welllage mit schaufelf rmigen Durchbr chen Typ B und einer por sen Glattlage Typ C Sintermetall Vlies Die als Mischer ausgef hrte Welllage lenkt den Abgasstrom in die por se Glattlage in der sich dann die Partikel abscheiden Im optimalen Arbeitsbereich hohe Temperaturen und ausreichendes NO C Verhaltnis werden mehr Partikel vom vorbeistr menden NO aufoxidiert als eingelagert Im ung nstigen Fall niedrige Temperaturen niedriges NO2 C Verhaltnis lagern sich mehr Partike
201. stoffe mit einer hohen Cetanzahl kennzeichnet die Z ndwilligkeit des Kraftstoffes n Hexadecan Cetan 100 Methylnaphthalin 0 niedrigem Schwefelgehalt verringert die Sulfatbildung sowie niedrigem Aromatengehalt reduziert die Ru bildung k nnen die Partikelemission reduzieren Auch ein erh htes Wasserstoff Kohlenstoff verh ltnis H C f rdert eine saubere Verbrennung Motoren le mit einem verringerten Additivanteil reduzieren ebenfalls die Partikel emission Verringerung des Ascheanteils AUFGABENSTELLUNG 70 7 Aufgabenstellung 7 1 Prufstandsuntersuchungen zur Emissionsminderung Im Rahmen dieser Arbeit sollen verschiedene Methoden zur Emissions reduzierung bei Nutzfahrzeugmotoren untersucht werden Neben rein motorischen Ma nahmen wie Einspritzvariationen AGR und Raildruck soll dabei auch der Einfluss der Betriebstoffqualitat Motoren le und Dieselkraftstoffe untersucht werden Ein Schwerpunkt dieser Arbeit soll dabei die Charakterisierung von offenen Systemen zur Abgasnachbehandlung speziell zur Erreichung der EurolV Grenzwerte 2005 f r Nutzfahrzeuge sein Neben der erzielten Reduzierung der gesetzlich limitierten Emissionen PM NO HC CO soll auch der Einfluss dieser Methoden auf die Partikelanzahlgr en verteilung und Ru konzentration untersucht werden In diesem Zusammenhang soll auch der Einfluss der Probenahme diskutiert werden Hilfreich bei Ma nahmen zur Partikelemissionsreduzierung ist dabei
202. t ohne VE s EEEE rere er ohne NE Le ohne VE und NE 10 et A ae ne Te a ee dN dlog dp Partikel cm 107 Verd nnung 10 100 1000 Elektrischer Mobilitatsdurchmesser nm _ Abbildung 48 Einfluss der Vor und Nacheinspritzung bei einem ESC Stationar punkt 1800min 260 Nm mit AGR auf die Partikelgr enverteilung EP SZ NO co HC Boch dw _ Ohne NE Ohne VE und NE Tabelle 6 Schw rzungszahl und gasf rmige Emissionen bei einem ESC Station rpunkt 1800min 260 Nm mit AGR und Variation der Einspritzung ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 82 14 Basis NE 2mg 2000us en NE 2mg 4000us i NE 2mg 800us a ie ee aes NE 6mg 800ys NE 6mg 2000us dN dlog dp Partikel cm3 108 Verd nnung 1 10 100 1000 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm Abbildung 49 Einfluss der Variation der Nacheinspritzung bei einem ESC Station rpunkt 1800 min 260 Nm mit AGR auf die Partikelgr en verteilung In Abbildung 49 ist der Einfluss einer Variation der Nacheinspritzung auf die Partikelanzahlgr enverteilung dargestellt Die Nacheinspritzung wurde im Bezug auf die Menge 2 bzw 6 mg sowie den Zeitpunkt 800 bzw 4000 us nach Ende der Haupteinspritzung variiert Die Ergebnisse der Schw rzungszahlmessungen sowie der limitierten gasf rmigen Emissionen zeigt Tabelle 7 Durch eine Verschiebung des
203. t 1 und 5 4 im Vergleich zu 24 9 beim verwendeten Basiskraftstoff zur ckzuf hren ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 105 o So N oa i a N oO oa k o Aromatengehalt im DK gesammt o m 14 15 16 17 18 19 20 Rauch aus SZ mg kWh o _ En N _ oo Abbildung 67 Abhangigkeit des Gesamtaromatengehaltes in verschiedenen Diesel kraftstoffen als Funktion der Rauchemission im ESC Berechnet aus der Schw rzungszahl In Abbildung 67 ist die Rauchemission SZ im ESC f r die in 8 3 1 untersuchten Dieselkraftstoffe und Mischungen in Abh ngigkeit von den jeweiligen Gesamt aromatengehalt aufgetragen Man erkennt deutlich die nahezu lineare Abh ngigkeit Mit zunehmendem Aromatengehalt steigt die Schw rzungszahl sowie die mittels PASS bestimmte Ru emission Abbildung 56 Wie in 2 5 3 beschrieben sind aromatische Kohlenwasserstoffe wichtige Zwischenstufen bei der Bildung von Ru partikeln So spaltet sich bei der difusionskontrollierten Ru bildung Wasserstoff von den Aromaten ab und wandert zur Flammenfront Die zur ckbleibenden aromatischen Kohlenstoffger ste wandern weniger schnell werden entsprechend nicht vollst ndig verbrannt und k nnen sich zu Kohlenstoff clustern zu
204. t der Luft zu erreichen Vorteile dieses Verfahrens sind eine weichere Verbrennung und ein ruhiger Motorlauf Weiterhin kann der Motor als Vielstoffmotor eingesetzt werden Der gro e Nachteil des M Verfahrens ist das schlechte Abgasverhalten Dies zeigt sich auch teilweise in der Analyse der Ru probe Der hohe Ascheanteil korreliert mit dem hohen Sauerstoffanteil Die Asche wird berwiegend aus den Additivkomponenten haupts chlich Ca und Zn des Motoren ls stammen Sauerstoff ist hierbei teilweise anorganisch als Oxid und weiterhin an teiloxidierten Kohlenwasserstoffen gebunden Auch wird Sauerstoff wie bereits beschrieben in funktionellen Gruppen an der Ru oberfl che gebunden sein Zu beachten ist allerdings dass die Ru gewinnung beim MAN Kran nur im Leerlaufbetrieb m glich war Die Ru zusammensetzung im Leerlauf unterscheidet sich jedoch meist stark von anderen Lastpunkten da die Betriebsbedingungen stark abweichen Der synthetische Flammru Monarch 77 der Cabot Corporation entspricht mit einem Kohlenstoffanteil von 99 erwartungsgem den Spezifikationen Der Ru der im Leerlaufbetrieb beim VW Bus gesammelt wurde hat einen Kohlenstoffanteil von 90 Der Wasserstoffanteil liegt bei 3 der Sauerstoff anteil bei 5 und der Anteil der Restbestandteile bei 2 Prinzipiell last sich sagen dass sich die Betriebsbedingungen im Standgasbetrieb stark von allen anderen Motorbetriebspunkten unterscheiden Verweilzeit im Brennraum La
205. talysator Trager Oberland Mangold Typ WF Beschichtung Umicore 40g Pt ft 200 cpsi 3 85 I Verwendet wurde ein EurolV Versuchsmotor MAN D0836 LF 6 9 228 kW mit Emissionen von weniger als 3 5 g kWh NO und 0 03 g kWh PM im ESC ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN Bezeichnung lt 10 ppm S DK 50 ppm S DK Kraftstoffsorte Schwefelfreier Schwefelarmer Dieselkraftstoff Dieselkraftstoff Dichte15 c g ml 0 838 0 826 Viskosit tso c Imm s 3 61 2 5 Schwefelgehalt mg kg 4 39 Siedebeginn C 227 172 Siedeende C 356 369 Gesamt 17 7 19 9 Aromatengehalt Cetanindex 57 7 55 Tabelle 12 Spezifikationen der verwendeten Dieselkraftstoffe 99 Die Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung im ESC erfolgte mittels SMPS im erweiterten 8 min Zyklus Stufenzeit von 2 min auf 8 min ausgedehnt Hierbei erfolgte parallel die Bestimmung der Ru konzentration mittels PASS Verwendet wurde hierf r im Gegensatz zu den anderen Messungen in dieser Arbeit ein Vorl ufer Versuchsmessger t der TU M nchen Spezifikationen des verwendeten PASS Ger tes und einzelne Ergebnisse der PASS Messungen sind in 24 beschrieben Die Spezifikationen der verwendeten Dieselkraftstoffe und Motoren le zeigen Tabelle 12 und Tabelle 13 Das aschearme Shell M1523 Motoren l wird berwiegend f r Gasmotoren verwendet und war nicht f r den Dauereinsatz in Diese
206. te Wasserstoff bewirkt somit dass die Sauerstoffkonzentration an der Flammenfront gegen Null geht und in der stark leuchtenden Zone in der die Ru konzentration am gr ten ist kein Sauerstoff vorkommt Die im Brennstoffgemisch eingeschlossenen Kohlenwasserstoffspezies k nnen deshalb mangels Oxidationsm glichkeiten haupts chlich untereinander zu ungesattigten Kohlenwasserstoffen reagieren woraus anschlie end PAK entstehen Diese k nnen wegen zunehmender Masse nur noch langsam diffundieren und wachsen durch h ufige interaktive Zusammenst e rasch zu Ru teilchen heran Durch die Koagulation der PAK entstehen unter Dehydrierung C Fragmente die als Wachstumszentren der Prim rpartikel angesehen werden k nnen Diese entfernen sich mit anderen Kohlenwasserstoffspezies von der Oberfl che der Brennstofftropfchen Dadurch kommt das Wachstum der einzelnen C Fragmente zum Stillstand Die Gr e der Prim rpartikel ergibt sich aus der H ufigkeit mit der die einzelnen Teilchen zusammensto en und h ngt von der anf nglichen Konzentration der verdampften Kohlenwasserstoffspezies im Brennstoff ab Chemisch gesehen sind Ru partikel eine Art unvollkommener Graphit Ihre innere Struktur ist in erster Linie von graphitischem Kohlenstoff bestimmt und besteht aus kleinen Kristallpaketchen die einen Durchmesser von ca 2 nm und eine St rke von 1 bis 1 5 nm aufweisen Abbildung 12 Die Kristallpaketchen sind aus gro en und in mehreren Schichten
207. tionstemperatur auf 375 bzw 400 C erh ht um eine LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 176 vollst ndige Oxidation des abgeschiedenen Ru es zu gew hrleisten Dies zeigt sich in Abbildung 118 in einer verst rken Massenabnahme 1 a MAN 250 C H20 o MAN 300 C o MAN 300 C 500ppm NO2 o MAN 300 C H20 _MAN 300 C H20 var MAN 350 C N MAN 350 C H20 4 MAN 350 C H20 var E 01 E 4 fe 0 01 i 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 t s Abbildung 118 Massenabnahme bei den Oxidationsexperimenten mit Realru als Funktion der Versuchszeit Bei einzelnen Experimenten 350 C H20 und 350 C wurde ein schwankender Verlauf der Massenabnahme festgestellt was auf Regelprobleme der verwendeten Temperaturregler zur ckzuf hren ist Diese schwanken bei diesen Experimenten um etwa 20 C Man erkennt in Abbildung 118 tendenziell die schnellere Massenabnahme mit der Zunahme der Oxidationstemperatur Bei Oxidationsexperimenten in der Gegenwart von Wasserdampf ist tendenziell eine schnellere Massenabnahme festzustellen In Abbildung 119 ist das mittels der experimentell ermittelten Ratenkoeffizienten erstellte Kennfeld f r die Ru oxidation mit NO2 in Gegenwart von Wasserdampf dargestellt Das Kennfeld besitzt aufgrund der geringen Zahl an auswertbaren Experimenten 10 nur eine eingeschr nkte Aussagekraft Zur Absicherung der erhaltenen Daten sind weitere Experimente notwendig die i
208. u dient die Ru partikel aus dem Abgas der gesamten Motorenpr fstande der Motoren vorentwicklung abzuscheiden Z1 Euroll Ru Diese Probe wurde aus einem Partikelfilter aus Cordierit entnommen der an einem Euroll Motor D2866 LUH 22 191 kW auf einem Motorenpr fstand bei Schwachlast mit Dieselru beaufschlagt worden war P1 Schwarzrauchru Dieser Ru wurde an einem MAN D2876 Eurolll Motor gesammelt 1125 min 500 Nm Sammelzeit ca 3 h Durch eine erh hte AGR Rate die ber eine Abgasklappe eingestellt wurde wurde die Ru emission des Motors k nstlich erh ht Schw rzungszahl 5 Es handelt sich deshalb um keinen typischen Eurolll Ru D1 Printex XE 2 Hierbei handelt es um einen synthetischen Flammru der Firma Degussa E4 EurolV Ru Dieser Ru wurde an einem EurolV Versuchsmotor D0836 LF 40 in einem PM KAT System w hrend transientem Motorbetrieb ETC gesammelt 100 0 ma E o 80 im M 0 hh E E Rest E 0 60 E Eo 0 S s a BEE O H E N o HZ i E C 30 nm E 20 mm E 10 E iD 0 GfG alt GfG frisch MAN Kran Monarch77 VW Ru Anteil Abbildung 113 CHNOS Anteile verschiedener Ru proben ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 158 Die Quellen der einzelnen Ru proben in Abbildung 113 werden im Folgenden beschrieben E IV Hierbei handelt es sich um eine Ru probe eines MAN D0836
209. uBprobe Uber das GC MS Screening wurden im Wesentlichen aliphatische Kohlenwasser stoffe identifiziert Daneben wurden auch Palmitin l und Stearins uremethyl ester gefunden die auf den Einsatz von Biodiesel FAME hindeuten Die Summe macht nur 7 des SOF aus da aufgrund der gro en Anzahl von Isomeren in diesem C Zahl Bereich keine Trennung der Einzelkomponenten mehr gegeben ist und aus dem breiten chromatographischen Signal nur einige Hauptkomponenten Peaks herausragen 3 lonenchromatographische Bestimmung von Phosphors ure und Schwefels ure Es wurden jeweils ca 20 mg Ru mit Isopropanol Wasser 40 60 v im Ultra schallbad extrahiert Dann filtriert und ionenchromatographisch analysiert Trenn s ule Waters IC Pak Anion HR Borat Gluconat Puffer Leitf higkeitsdetektor Dabei wurde ein Anteil von 0 7 H2SO entspricht 1 05 Sulfat und 0 2 an HPO ermittelt ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 160 Erwartungsgem ist nur ein niedriger Sulfatanteil ermittelt worden da der Schwefelgehalt im Dieselkraftstoff mit lt 5 ppm sehr gering war und kein Oxidationskatalysator verwendet wurde 4 ICP OES Bestimmung der Metalle nach S ureaufschlu Ca 5mg Ru wurden drucklos bei 175 C mehrst ndig in konz HNO3 aufgeschlossen ber Nacht stehen gelassen Ultraschall und der ICP OES Bestimmung zugef hrt Die Ergebnisse sind im Folgenden dargestellt Element Part
210. uchs FES 0553 AF aschefrei Shell M1523 aschearmes Motoren l Shell Rimulat Ultra Standard Dieselkraftstoff mit 1 Shell Rimula Ultra 100 10 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm 1000 Abbildung 58 Anzahlbezogene Partikelgr enverteilungen bei verschiedenen Motoren len im ESC gemessen mit SMPS dN dlogDp 10 Partikel kWh o N Fuchs FES 0553 AF aschefrei Shell M1523 aschearmes Motoren l e Shell Rimulat Ultra Standard e Dieselkraftstoff mit 1 Shell Rimula Ultra Abbildung 59 Anzahlbezogene Partikelgr enverteilungen 10 100 Elektrischer Mobilit tsdurchmesser nm bei verschiedenen Motoren len im ESC gemessen mit SMPS Ausschnittvergr erung ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 97 Der Versuch mit 1 Motoren l im Kraftstoff zeigt eine v llig andere Verteilung Hier ist eine berlagerung der Nukleationsmode mit der Akkumulationsmode fest zustellen Das Maximum dieses Modes ist etwa 20 mal h her als das der anderen Verteilungen In Abbildung 60 sind die mittels PASS gemessenen Ru konzentrationen im ESC bei den verschiedenen Motoren len sowie der Beimischung von Motoren l zum Kraftstoff zu erkennen Die 3 verwendeten Motoren le zeigen keinen gro en Unterschied hinsichtlich ihrer RuRemission Die Emissionen liegen hier je nach Lastpunkt zwischen 3 mg m und 18 mg m
211. ulen mit Streckmetall bei 200 cpsi und bei der Mikrokugelbeschichtung bei 160 cpsi Der Abgasgegendruck der PM KAT Systeme wurde bei der ESC Drehzahl C unter Volllast Mabgas 1050 kg h bestimmt eg Abgasgegen Abscheide Raum SER Versuch in Reihe parallel Ausf hrung ruek volumen geschwindigkeit und I 150 mm mbar I 10 h 3xOM300 3 2 Streckmetall 105 15 6 52 3xOM150 3 1 Streckmetall 70 7 8 104 2xOM300 2 2 Streckmetall 169 10 4 78 2xOM150 2 1 Streckmetall 90 5 2 156 1xOM150 1 1 Streckmetall 210 2 6 313 3xOM150N 3 1 Mikrokugeln 101 7 8 104 Tabelle 14 bersicht der untersuchten PM KAT Varianten und L nge der einzelnen Module jeweils 150 mm In Abbildung 73 sind die ermittelten gravimetrischen Gesamtpartikelums tze und Abgasgegendr cke ohne Vorkat ber dem PM KAT System f r verschiedene PM KAT Kombinationen aufgef hrt Der Gegendruck sollte inklusive des Vorkatalysators ca 25 mbar nicht ber 130 mbar liegen Dies konnte mit der Kombination von drei Modulen von einer L nge von je 150 mm erreicht werden 3xOM150 Die Abscheidung lag bei dieser Kombination bei 57 44 im ESC ETC bei einem Abgasgegendruck von 70 mbar ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 118 Die Verdopplung der Abscheidel nge 3xOM300 von 150 auf 300 mm zeigte eine bessere Abscheidung bei h herem Gegendruck 105 mbar Hierbei konnte ein PM Umsatz von 72 58
212. ung an den Abgas volumenstrom erh ltlich Die Monolithe bestehen meist aus Cordierit MgO Al2Os SiO2 oder Siliziumcarbid SiC und werden durch Extrusion hergestellt Tiefenfiltration Es ist m glich Filter mit relativ offenen Strukturen im Vergleich zu Ober fl chenfiltern herzustellen In solchen Filtern werden die abgeschiedenen Partikel in der gesamten Filterstruktur und nicht nur an der Oberfl che abgeschieden Diese Technologie wird als Tiefenfiltration Deep Bed Filtration bezeichnet KONZEPTE ZUR EMISSIONSMINDERUNG F R SCHWERE NUTZFAHRZEUGE 64 Partikel k nnen ber 3 verschiedene Mechanismen abgeschieden werden Abbildung 35 45 46 Interzeption u Tr Brown sche m Bewegung m k M el ag a ee Impaktion _ Stromlinien Partikelbahn Partikel Abbildung 35 Mechanismen der Partikelabscheidung Interne Interzeption Sperreffekt Wenn sich Partikel die durch einen Gasstrom getragen werden einer Faser n hern folgen diese meist dem Gastrom k nnen aber auch aufgrund Ihrer Massentr gkeit auf Hindernisse treffen Brown sche Diffusionsbewegung Kleinere Partikel besonders kleiner 300 nm besitzen eine betr chtliche Brown sche Bewegung und folgen nicht einheitlich einem Gastrom Diese Partikel diffundieren vom Gastrom zur Oberfl che und k nnen an einer Faser gesammelt werden Impaktion Wenn ein gasgetragener Partikel im Abstand seines Partikelradius auf einen Faserquerschnitt t
213. ussreglern MFC InteliFlow Millipore dosiert Wasser konnte mittels einer Schlauchpumpe Ismatec Reglo Wertheim zudosiert und in einer beheizten Edelstahlkapillare verdampft werden Der Gasstrom wurde durch einen beheizten Oxidationskatalysator Ober land Mangold Wacker 0 31 I 0 27g Pt gef hrt in dem sich das zur Kohlenstoff oxidation notwendige NO aus dem NO und Sauerstoff bildete LABORUNTERSUCHUNGEN ZUR RUROXIDATION 170 Komponente Konzentration Hersteller Reinheit Stickstoffmonoxid rein Messer Griesheim 2 5 Stickstoffdioxid 1 Vol in synth Luft Messer Griesheim Sauerstoff rein Messer Griesheim 4 5 Stickstoff rein Air Ligiud 4 5 Kohlendioxid 1 Vol in synth Luft Messer Griesheim Kohlenmonoxid 956 ppmV in N2 Riesner Gase Tabelle 20 Spezifikationen der verwendeten Gase Nach Durchstr men des Oxidationskatalysators gelangte die Gasmischung in den beheizbaren Flachbettreaktor um dort mit dem abgeschiedenen Ru zu reagieren Die Gaszusammensetzung wurde anschlie end mittels des FTIR Spektrometers bestimmt Die Beladung der Flachbettreaktoren mit Dieselru erfolgte direkt am Motoren pr fstand W hrend der Motortestzyklen wurde ein definierter Abgasteilstrom mittels Pumpe 5 l min entnommen und durch den mit Katalysatorstrukturen best ckten FBR gef hrt Um Kondensation von Wasser zu vermeiden war der FBR beheizt Die Probennahmedauer variierte je nach Motor und Testzyklus zw
214. v Die ausgesendete Strahlung passiert einen fur diese Wellenlange ausgelegten optischen Filter Monochromator und trifft anschlie end auf einen Photomultiplier der ein der NO Konzentration proportionales Signal liefert MOTORENPR FST NDE 29 Optischer Interferenzfilter Manometer Pumpe Reaktionskammer Gek hlter Photomultiplier Thermischer Konverter Konstante Fan ERSTE EN Volumenflussrate Abgas Kapillare T A Geh use 7 kannnannnnnnn B HANNES 02 rpi O3 Ozonisator Auswerteeinheit Abbildung 14 Aufbau eines Chemilumineszenzdetektors zur Messung von NO NO im Dieselabgas 32 Im Dieselabgas tritt jedoch neben NO auch NO auf Deshalb ist es notwendig das NO zuerst zu NO zu reduzieren Dies geschieht an einem beheiztem Edel stahlkonverter gt 650 C Bei hohen Stickstoffdioxidkonzentrationen kann dieses jedoch nicht vollst ndig umsetzt werden Deshalb ist in diesem Fall mit einer Mindererfassung durch den CLD zu rechnen Zus tzlich gibt es ein weiteres Problem Um eine Kondensation von Wasser in der unbeheizten Messk vette zu vermeiden wird das Messgas vor Eintritt in den Analysator in einem Messgask hler auf 4 C abgek hlt und dadurch das im Abgas enthaltene Wasser gr tenteils abgeschieden Da NO in Gegenwart von NO in Wasser zu HONO reagiert Bildung von salpetriger S ure werden bis zu 20 des NO im Messgask hler abgeschieden werden was bei der Ermittlung d
215. verwendet Dieselkraftstoff mit 7 ppm Schwefel und aschearmes Motoren l Fuchs Titan Cargo Maxx 5W30 ent sprechend der MAN EurolV Norm M3477 Das verwendete PM KAT System ist in Abbildung 98 abgebildet ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 137 Abbildung 98 MAN PM KAT System im TG 1 Schalld mpfer Abbildung RTA Der Voroxidationskatalysator 165x90 mm 1 91 Beschichtung Umicore 40 g ft 200 cpsi ist in gelb dargestellt Der PM Abscheider von EMITEC 254x150 mm 7 61 22 u Vlies EMITEC TS Tr ger200 cpsi in violett Das Abgas str mt durch die obere ffnung in den Schalld mpfer umstr mt den PM Abscheider violett und erw rmt ihn dabei Dann wird es durch den Oxidationskatalysator gelb und nachfolgend dem Abscheider gef hrt bis es den Schalld mpfer durch die untere ffnung verl sst CO Umsatz 56 450 400 350 300 250 200 Raumgeschwindigkeit 102 h 250 300 350 400 450 Abgastemperatur vor PM KAT C Abbildung 99 Kohlenmonoxid Umsatz im ESC Raumgeschwindigkeit durch den Oxidationskatalysator als Funktion der Abgastemperatur ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 138 Zur Oxidation der HC und CO Anteile ist dem PM KAT ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet Er bildet auch das zur Kohlenstoffoxidation notwendige NO2 Der im ESC erzielte CO Umsaitz liegt zwischen 70 und 90 Abbildung 99
216. wasserstoffen bzw Schwefels ure zur Verf gung zu stehen Gezeigt hat sich aber der Einfluss des Kraftstoffschwefelanteils auf die H he der Nukleationsmode bei den Untersuchungen nach Oxidationskatalysator Ein h herer Kraftstoffschwefelanteil f hrt zu einer ausgepr gteren Nukleationsmode 8 4 Charakterisierung verschiedener Abgasnach behandlungssysteme 8 4 1 Klassische Partikelfiltersysteme 8 4 1 1 Bestimmung der Partikelanzahlgr enverteilung an einem Siliziumcarbidfilter mit ohne Additiv An einem Euroll Motor MAN D2866 LF30 31 291 kW 11 97 I wurde ein SiC Filtermodul mit integriertem Oxidationskatalysator 22 8 90 cpsi vermessen Es wurden die Partikelanzahlgr enverteilung vor und nach dem System sowie mit und ohne Eisenadditiv 20 ppm Fe 345 ml m im Dieselkraftstoff bestimmt Durch den Zusatz der organisch komplexierten Eisenverbindung Dicyclopenta dienyl Eisen Il Ferrocen soll die zur Ru oxidation mit Sauerstoff im Partikelfilter ben tigte Temperatur auf 250 C abgesenkt werden Das Additiv wird dabei dem ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 109 Kraftstoff zugemischt In Abbildung 68 sind die Ergebnisse der Partikelanzahl gr enverteilungsmessungen mittels SMPS im ESC dargestellt Die Abbildung zeigt die gewichteten und leistungskorrigierten ESC Summenwerte der Partikel anzahlkonzentration sowie die Abscheidung Zur besseren Darstellung ist die linke y Achse in dieser Abbildung l
217. wefels ure kondensiert hierbei auf den laschepartikeln und f hrt zur Bildung einer Nukleationsmode Maricq et al 99 fanden bei Messungen im Abgasstrang von leichten Nfz Dieselfahrzeugen ohne Einsatz eines Oxidationskatalysators keinen Einfluss des Kraftstoffschwefelgehalt 4 ppm oder 350 ppm auf die Partikelgr enverteilung Bei Einsatz eines Oxidations katalysators entdeckten sie bei hohen Abgastemperaturen eine zweite Mode Nukleationsmode bei 20 nm in der Partikelgr enverteilung die durch Sulfate verursacht wird ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 108 Die etwa 35 h heren Ru emissionen beim schwefelfreien Dieselkraftstoff im Vergleich zum schwefelarmen Dieselkraftstoff beim aschearmen Motoren l k nnten durch einen verminderten Motorenverschlei schutz mit einer geringeren Menge an Additiven verursacht werden Dies k nnte zu einer erh hten Ru emission f hren Bei schwefelfreien Dieselkraftstoffen k nnen durch den stark reduzierten Schwefelanteil Sch den an den Einspritzaggregaten auftreten Auch der Verschlei dieser Systeme ist erh ht Dies muss durch besondere Additive ausgeglichen werden 100 Bei den hier durchgef hrten Untersuchungen konnte im Gegensatz zu den Untersuchungen in Kapitel 8 3 3 kein eindeutiger Einfluss des Motoren lasche anteils auf die H he der Nukleationsmode festgestellt werden Es scheinen auch beim aschearmen Motoren l genug Aschekeime zur Kondensation von Kohlen
218. wichtsdifferenz entspricht dem organisch l slichen Anteil Der Gewichtsverlust eines Blindfilters ist dabei zu ber cksichtigen Der mittels ASE gewonnene Extrakt kann zur Bestimmung des l Kraft stoffverh ltnisses in der organisch l slichen Phase herangezogen werden Die Methode ist in 37 beschrieben Eine quantitative Auswertung im Bezug auf den ermittelten SOF Anteil ist aufgrund verschiedener Messunsicherheiten nicht m glich Deshalb beschr nkt man sich bei der Auswertung des Chromatogramms nur auf das normierte Fl chensignal d h das Fl chensignal wird als 100 gesetzt und entsprechend der in 37 beschriebenen Methode dem Ol Kraftstoffverhaltnis zugeordnet 8 5 4 Probenahme im Abgasstrang Die physikalische und chemische Charakterisierung erfordert oft gro e Mengen Dieselabgaspartikeln Ziel war die Entwicklung eines Sammelsystems von Dieselabgaspartikeln direkt im Abgasstrang von Dieselmotoren mit niedrigen Ru emissionen EurolV Abbildung 111 Wechselschalld mpfer mit Prallplatten und Distanzringen zur Ru sammlung Zu diesem Zweck wurde das zur Charakterisierung von verschiedenen Katalysatoren verwendete Wechselschalld mpfergeh use vgl Abbildung 90 mit 3 Prallplatten mit sichelf rmigen Einschnitt sowie entsprechenden Distanzringen ERGEBNISSE UND DISKUSSION DER PR FSTANDSUNTERSUCHUNGEN 156 versehen Das gereinigte sauber
219. zrah L Eckert A Fischer P Kaser A Maurer New Developments of Ceramic Foam as Diesel Particulate Filter SAE Technical Paper Series 910325 1991 Tutko J J S S Lestz J W Brockmeyer J E Dore Feasibility of Ceramic Foam as Diesel Particulate Trap SAE Technical Paper Series 840073 1984 LITERATUR 188 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 Helferich R K Yoshida K Ogasawara Regeneration Performance of a Catalysed Versus a Non Catalysed Ceramic Membrane Diesel Particulate Trap SAE Technical Paper Series 910327 1991 Frei O M Frish V Bodmer T Mizrah Ceramic Foam for Filters for Cleaning Exhaust Gases of Diesel Engines US Patent 4965101 1990 Hardenberg H O Urban Bus Application of a Ceramic Coil Particulate Trap SAE Technical Paper Series 870011 1987 D ring A E Jacob Verfahren und Vorrichtung zur Abscheidung von Feinstpartikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen Deutsche Patentschrift DE19934932 1999 Br ck R P Hirth M Reizig P Treiber J Breuer Metal Supported Flow Through Particulate Trap a Non Blocking Solution SAE Technical Paper Series 2001 01 1950 2001 Cooper B J J E Thoss Role of NO in Diesel Particulate Emission Control SAE Technical Paper Series 890404 1989 Jacob E A D ring U Graf M Harris B Hupfeld GD KAT Abgas
220. zur Bildung von Aschepartikeln Hauptbestandteil CaSO f hren kann ist deutlich h her als der des Diesel kraftstoffes Diese Aschepartikel k nnen z B in konventionellen Partikelfiltern eingelagert werden und so zu einem Verblocken Verstopfen dieser Filter f hren Weiterhin sind z B Phosphorverbindungen aus dem Motoren l Katalysatorgifte die zu einer Deaktivierung von Oxidationskatalysatoren und besonders der Reduktionskatalysatoren bei SCR Systemen f hren k nnen Zur Erreichung zuk nftiger Grenzwerte ist eine Absenkung der lascheemission durch motorische Ma nahmen z B kraftstoffgeschmierte Einspritzpumpen und der Verwendung von neuen aschearmen Motoren len notwendig 2 5 2 Partikelgr enverteilung In Abbildung 9 sind typische Partikelgr enverteilungen wie man sie bei Dieselmotoren erh lt dargestellt DIESELMOTORISCHE ABGASEMISSIONEN 18 Die blaue Kurve kennzeichnet die anzahlbezogene Verteilung wie sie z B auch mittels SMPS Scanning Mobility Particle Sizer bestimmt werden kann Die gr ne Kurve zeigt die oberfl chenbezogene Verteilung und die braune gestrichelte Kurve zeigt die massenbezogene Verteilung 0 25 Nanopartikel Nanoparticles Feine Partikel Dp lt 50 nm i 4 0 2 Nukleationsmode fine particles a Dp lt 2 5 um Ultrafeine Partikel Ultrafine Particles Dp lt 100nm PM 10 0 15 Dp lt 10 um oO Akkumulationsmode Normierte Konzentration 1 Ctota dC dlogDp

Dieter Rothe Physikalische und chemische

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