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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.

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts werden folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Emissions Soot Model
(ESTiMatE)

Im Rahmen des EU-H2020-Projekts „Emissions Soot Model“ (ESTiMatE) soll eine Modellierungsstrategie, zur Vorhersage von Kohlenstoffpartikelemissionen (Ruß) aus dem Betrieb von Flugtriebwerken, entwickelt werden. 

Dies erfordert die Verbesserung oder Entwicklung anspruchsvoller Modelle für die betreffenden Teilprozesse und eine Validierung anhand von Referenzexperimenten, um eine zuverlässige Prognose der Rußemissionen zu gewährleisten. Ziel der Arbeiten des Teilinstituts Verbrennungstechnik im Rahmen des Projekts ist es, Datensätze unter repräsentativen Verbrennungsbedingungen zu generieren, die zur Validierung der entwickelten Modelle verwendet werden können.

Diesbezüglich werden laminare Gegenstrommodelflammen eines Kerosin-Surrogates und dessen einzelner Komponenten (z.B. Dodekan und Iso-Oktan) grundlegend untersucht, um den Einfluss der Kraftstoffzusammensetzung und des Druckes (bis 8 bar) auf die Flammenstruktur und insbesondere auf die Bildung von Ruß Vorläufern [Benzol (A1), Naphthalin (A2), Pyren (A4), etc.] und Rußpartikeln zu erläutern. Die gewonnenen Daten werden erst mit bereits entwickelten Chemiemodellen verglichen und danach für die Validierung der im ESTiMatE entwickelten Modelle verwendet. In der Abbildung sind experimentelle und numerisch berechnete Konzentrationsverläufe gasförmiger Spezies in einer nicht-vorgemischten Gegenstromflamme von Iso-Oktan dargestellt.

 


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.

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. 
 

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


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.