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Chemischer
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Rußbildung
Rußpartikel finden sich häufig in den Abgasen technischer Verbrennungssysteme. Die Reduzierung von Rußemissionen erfordert grundlegende Erkentnisse über die chemischen und physikalischen Prozesse der Bildung und Oxidation von Ruß. Außerdem ist Ruß ein wichtiges Industrieprodukt. Die Kentnis der Rußbildungskinetik erleichtert die Auslegung von technischen Prozessen zur Herstellung von Ruß. Zur Entwicklung und Validierung detailierter Modelle sind experimentelle Daten der Rußbildung erforderlich. Mit spektroskopischen Messmethoden können zeitlich aufgelöst 2D Verteilungen der Partikelgrößen und Rußkonzentrationen ermittelt werden. Diese Daten sind wichtige grundlegende Informationen für das Verständnis der Rußbildung.

 

SOot Processes and Radiation in Aeronautical inNOvative combustors
(SOPRANO)
Die wissenschaftliche Hauptziel von SOPRANO ist es einen Durchbruch in den Forschungsbemühungen auf dem Feld der Rußpartikelchemie, der Partikelgrößenverteilung und deren Auswirkung in Bezug auf Strahlung bei Betriebsbedingungen, die typisch für Luftfahrtantriebe sind, zu erreichen. SOPRANO zielt darauf ab das Wissen und die Möglichkeiten experimenteller und numerischer Untersuchungen zu verbessern und so die Charakterisierung und Vorhersage von Rußemissionen unter "Low NOx" Verbrennungsbedingungen zu ermöglichen. 

 
Das industrielle Hauptziel von SOPRANO besteht darin die detaillierte Charaterisierung von Rußpartikeln durchzuführen, die von modernen Brennkammern bei realitätsnahem Betriebsbedingungen (z.B. bei erhöhtem Druckniveau) entstehen und so den Weg freizumachen für ein zukünftiges Design von hocheffizienten Brennkammern. Dazu ist eine genauere Bestimmung der Strahlungseigenschaften und damit der Brennkammerwandtemperaturen erforderlich. 

Methanmotoren für Personenkraftwagen
(MetCar)
Heutige Erdgasmotoren für PKW basieren auf Benzinmotoren und sind nicht konsequent für die Methanverbrennung optimiert. Mit seiner hohen Klopffestigkeit bietet bereits Erdgas gegenüber Benzin ein signifikantes Effizienzsteigerungspotenzial. Dies kann durch EE-C-Methan mit hohen Methangehalten und einer damit einhergehenden höheren Klopfresistenz (höhere Methanzahl) noch erhöht werden, da wirkungsgradsteigernde hohe Kompressionsverhältnisse bei gleichzeitig sehr hohen Aufladegraden ermöglicht werden.
Um die hohen Wirkungsgrade bei gleichbleibendem Fahr- und Verschleißverhalten zu ermöglichen, sind bei der Entwicklung eines optimierten Motors zahlreiche Teilaspekte wichtig, die umfassend im Projekt bearbeitet werden. Hierzu gehören insbesondere motortechnische Anpassungen der Spitzendruckfähigkeit, die Ladedruckerhöhung zur Vermeidung von Füllungsverlusten mit Hilfe von neuartigen Injektoren zur Gasdirekteinblasung (Methan DI) und Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, sowie ein vollvariabler Ventiltrieb. Neben den motortechnischen Entwicklungen ist auch der Einfluss der Gasbeschaffenheit von Methan, insbesondere EE-C-Methan, als Kraftstoff ein wichtiger Baustein für die Markteinführung. Hierzu wird der Einfluss der zu erwartenden Hauptkomponenten (CH4, H2) und von Spurenstoffen (schwefelhaltige Odoriermittel, Kompressorenöle) auf Komponentenverschleiß und Katalysatorwirksamkeit anhand von Teststandsversuchen untersucht.
Der dritte innovative Baustein stellen grundlegende Untersuchungen zur Vermeidung von Partikelemissionen an Methanmotoren dar. Hierbei stehen sehr kleine Partikel im Fokus.
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt B1: Rußbildung in nicht-adiabaten, instationären Flammen in laminarer und turbulenter Strömung unter Berücksichtigung der Flamme-Wand-Interaktion
(SFB_606_-_B1)
Die Ausbreitung von nicht adiabaten, teilweise vorgemischten Flammen in instationären, turbulenten Strömungs-, Druck- und Temperaturfeldern ist wesentlich für die motorische Verbrennung und die Verbrennung in Gasturbinen. Hierbei ist insbesondere die Wirkung kalter Wände (Brennraumwände von Verbrennungsmotoren Brennkammerwände von Gasturbinen) eine wichtige Einflussgröße, da der strahlungsbedingte Wärmeentzug aus der Flamme die Struktur der Flamme beeinflusst, die Ausbreitungsgeschwindigkeit reduziert sowie die Bildung von Schadstoffen (NOx, Ruß) beeinflusst. In diesem Teilprojekt soll die Rußbildung in nicht-adiabaten Flammen in instationären, laminaren und später auch turbulenten Strömungsfeldern unter dem Einfluß kalter Wände untersucht werden.


Reaktivität von Partikeln aus Ottomotoren: Beziehung zu Partikeleigenschaften und motorische Einflussparameter
(Partikelreaktivität_316493809)
In der europäischen Abgasgesetzgebung sind die Partikelemissionen von Ottomotoren mit Direkteinspritzung ein neues Kernthema. Grund dafür ist die im Vergleich zu Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung unterschiedliche Gemischbildung. Die feinen und ultrafeinen Partikeln wirken sich durch ihre Lungengängigkeit schädlich auf den Organismus aus. Die Entwicklung von Ottomotoren zielt gegenwärtig darauf ab, die Partikelemission durch Abgasnachbehandlung, z.B über einen Partikelfilter zu reduzieren. Die Minimierung des technischen Aufwands der Abgasnachbehandlung z.B. durch Steuerung des Partikelabbrands ist hierbei eine wesentliche Aufgabe.
Der Partikelabbrand auf dem Partikelfilter wird durch die Reaktivität der Partikeln beeinflusst. Die Reaktivität der Partikeln wiederum ist durch Eigenschaften der Partikeln bestimmt, die sich beim Motorbetrieb einstellen. Bei bekannten Eigenschafts-Reaktivitäts-Beziehungen kann somit die Reaktivität der Partikel über den Motorbetrieb eingestellt werden.Hauptziel des Forschungsvorhabens ist die Erhöhung der Reaktivität von Rußpartikeln aus Ottomotoren mit Direkteinspritzung durch motorische Betriebsparameter.
Hierfür sollen Eigenschafts-Reaktivitäts-Beziehungen gewonnen werden, die die Grundlagen zur Steigerung der Reaktivität von aus Ottomotoren emittierten Partikeln bilden.Ein weiteres Ziel ist, die für die Reaktivität der Rußteilchen wesentlichen Eigenschaften in synthetischen Rußteilchen aus Modellflammen zu generieren, um den Aufwand der Erzeugung von Partikeln durch langwierige Versuche am Motorprüfstand zu minimieren.Ein drittes Ziel ist, strukturelle Eigenschaften der Rußpartikeln, die für deren Reaktivität verantwortlich sind, in-situ während der Entstehung und Nachoxidation der Partikeln im Motor und in Modellflammen zu verfolgen.
Zur Erreichung dieser Ziele werden an einem Einzylinder-Forschungsmotor unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen Partikeln erzeugt. Die Partikeln aus dem Forschungsmotor werden hinsichtlich ihrer Reaktivität, Struktur und weiterer Eigenschaften ex-situ untersucht, so dass Eigenschafts-Reaktivitäts-Beziehungen gewonnen werden können. Darüber hinaus wird versucht, solche Eigenschaften an Rußteilchen zu generieren, die in einem Modellbrenner erzeugt und konditioniert werden. Die Reaktivität von Partikeln wird vermutlich durch die Ordnung, Orientierung und Ausdehnung von Graphenschichten sowie die Oberflächeneigenschaften bestimmt. Im Forschungsvorhaben soll versucht werden, solche Eigenschaften während der Entstehung der Rußteilchen und deren Geschichte in den Modellflammen und während der motorischen Verbrennung zu bestimmen und auf optische Eigenschaften zurückzuführen. Hierfür werden ebenfalls Modellflammen und ein zweiter Forschungsmotor mit optischem Zugang eingesetzt, in dem solche Eigenschaften gemessen werden können und in dem der Verbrennungsablauf durch tomographische und endoskopische Verfahren zeitlich und örtlich aufgelöst verfolgt werden kann.

Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt C7: Russbildung und -oxidation bei Mehrfachbrenneranordnungen
(SFB_606_-_C7)
In diesem Teilprojekt wird aufbauend auf den Vorarbeiten im Teilprojekt B1(E) an einem Einzelbrenner und am Gesamtsystem der modular aufgebauten Brennkammer mit multi- Brenner-Anordnung aus Teilprojekt C6(N) die Rußbildung und –oxidation experimentell und numerisch untersucht.

Zur Anwendung kommen optische Messtechniken, die in den vergangenen Förderperioden im SFB entwickelt wurden sowie Modelle für die Rußbildung basierend auf detaillierten Mechanismen.
Die Anpassung der Messtechnik 2-Farben-Zeit aufgelöste Laser Induzierte Inkandeszenz (2-Colour-TIRE-LII) für Bestimmung der Rußpartikelgrößen-verteilung und Rußdetektion in hoch turbulenter Verbrennung bei hohen Leistungen ist Hauptteil der experimentellen Untersuchungen. Diese werden durch OH*-Chemilumuneszenz- Messungen ergänzt. Die laseroptische Messmethoden werden durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nach einer thermophoretischen Probenahme unterstützt.

Ein wichtiges Ziel des Projektes ist die Weiterentwicklung der Modelle im Hinblick auf die Rußstrahlung und die Entwicklung von turbulenten Schließungsansätzen.  

Handhabung hochdisperser Pulver
(SP1062)

Im Rahmen des Gemeinschaftsprojekts "Maßgeschneiderte feinste Partikel - Synthese, Konditionierung und Anwendung" wird das Teilprojekt "Untersuchung der Reaktion und Partikelbildung in einer Flamme" bearbeitet. Ziel der numerischen Untersuchungen ist die Beschreibung der Rußbildung und des Wachstums in Flammen.

Zu diesem Zweck sollen verschiedene Methoden für die Kopplung der Rußbildung zur turbulenten Strömung untersucht werden (Stichwort: Flamelet-Modelle, Moss-Model).

Zunächst werden die Modelle anhand von Messungen im MIT-JSR-Reaktor sowie im System von Prof. Roth (Pyrolyse in einem Stoßwellenrohr) überprüft. Erst danach ist an eine Erstellung von Flamelet-Bibliotheken gedacht.

Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wird die am Institut für Chemische Technik entwickelte RAYLIX-Messtechnik an einen Plasma-Reaktor zur Rußherstellung im Technikuumsmaßstab adaptiert . Mit Hilfe der in-situ 2D Messung von lokalen Partikelgrößen und Konzentrationen werden die wesentlichen Prozeßparamter zur Beeinflussung der Partikelbildungskinetik identifiziert .


Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt C4: Rußbildung in DI-Motoren
(SFB_606_-_C4)
Motoren mit Direkteinspritzung ist prinzipimmanent, daß in unmittelbarer Umgebung des Einspritzstrahles eine brennstoffreiche Verbrennung stattfindet, die mit der Bildung von Ruß einhergeht. Obwohl im Laufe der Zeit die von (DI-) Dieselmotoren emittierten Rußmengen entsprechend den zunehmend restriktiveren Abgasnormen stetig abgenommen haben und künftig weiter abnehmen werden, resultiert hieraus möglicherweise ein höheres physiologisches Gefährdungspotential. Verantwortlich hierfür könnte die mit abnehmender Rußemission möglicherweise einhergehende Zunahme der Anzahl kleinster, lungengängiger Rußpartikel im Motorenabgas sein. Da im Hinblick auf die Einhaltung künftiger Abgasnormen dem Rußemissionsverhalten bei Lastwechseln besondere Bedeutung zukommt, soll neben der Untersuchung des stationären Betriebs in einem Einhubtriebwerk im Anschluß daran gezielt der Einfluß bei instationären Lastwechseln auf die Rußbildung und –emission in einem Einzylinder- Forschungsmotor untersucht werden. Insbesondere die Lösung der letztgenannten Aufgabenstellung ist mit klassischen, i. a. auf gravimetrischen oder auf Ermittlung der Schwärzungszahlen basierenden Verfahren zur Bestimmung der emittierten Rußmenge aufgrund der fehlenden zeitlichen Auflösung dieser Verfahren nicht oder nur schwer möglich. Aus diesem Grund wird in diesem Teilprojekt zur Ermittlung der Rußvolumenbrüche, der Teilchenzahldichten und der mittleren Teilchenradien die RAYLIX- Meßtechnik eingesetzt, die auf der simultanen Detektion der Rayleigh- Streuung, der Laserinduzierten Inkandeszenz (LII) in Verbindung mit der Ermittlung der integralen Extinktion basiert.

Russmodellierung
(FVV-67382)

Bildung von Rußpartikeln und katalytische Filterregeneration bei der motorischen Nutzung von Ottokraftstoffen aus Biomasse
(BIOTTO)
Zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes ist der Einsatz von Biokraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen unverzichtbar. Deren Einsatz kann jedoch zu erhöhten Rußpartikelemissionen führen. Die gegenwärtige Forschung im Rahmen der Nachwuchsgruppe BiOtto untersucht diesen Sachverhalt mit dem Ziel festzustellen ob und unter welchen Bedingungen die Beimischung Biokraftstoffen in direkt einspritzenden Ottomotoren eine erhöhte Emission von Rußpartikeln bewirkt. Daher wird die Rußbildung und Rußoxidation für Kraftstoffe mit variablen biogenen Anteilen detailliert untersucht.

Das BiOtto Projekt "Bildung von Rußpartikeln und katalytische Filterregeneration bei der motorischen Nutzung von Ottokraftstoffen aus Biomasse" (Nachwuchsgruppe „BiOtto“, FKZ: 22026711, 22041011, 22040811, 22041111) wird vom  Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR), des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), gefördert. Forschungspartner des Teilinstituts für Verbrennungstechnik am Engler-Bunte-Institut (EBI - vbt) im Rahmen von BiOtto sind der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT - Univ. Erlangen Nürnberg), der Lehrstuhl für Numerische Thermofluiddynamik (NTFD - TU Bergakademie Freiberg) und der Lehrstuhl für Reaktionstechnik (RT - TU Bergakademie Freiberg).

Für eine grundlegende Charakterisierung und zur Modellbildung und Validierung wird am EBI-vbt die Partikelbildung für variierte Biokraftstoffanteile in laminaren Flammen untersucht.

 
    
Laminar Premixed Model Flames         Laminar Diffusion and Partially Premixed Model Flames
Die Modelle werden im Rahmen detailierter numerischer Simulationen (NTFD) der Rußbildung und Oxidation sowie der Verbrennung im Motor, angewandt.  Meßdaten werden mit optischen Methoden in einem teilweise transparenten direkteinspritzenden Ottomotor aufgenommen werden (LTT).

Die Simulationsergebnisse und experimentellen Daten sind wiederum wichtige Randbedingungen für die wissensbasierte Entwicklung eines hocheffizienten Katalysators für die schnelle Oxidation des ottomotorischen Rußes im Partikelfilter. Hierbei handelt es sich um ein integriertes Modul aus Partikelfilter und Drei-Wege-Katalysator (RT). Durch die interdisziplinäre Struktur des Vorhabens wird schließlich das Komplettsystem Motor-Katalysator-Filter für biogene Kraftstoffe optimiert.