Reaktivität von Partikeln aus Ottomotoren: Zusammenhänge zwischen dem Partikelaufbau, dessen optischen Eigenschaften und motorischen Betriebsparametern

Im Zuge der europäischen Abgasgesetzgebung sind die Partikelemissionen von Ottomotoren mit Direkteinspritzung (DE) ein neues Kernthema der Motorenentwicklung. In Studien konnte gezeigt werden, dass der massenbezogene Emissionsgrenzwert mit der heutigen Motortechnologie im Regelfall eingehalten werden kann. Dem hingegen stellt die Einhaltung der maximal zulässigen Partikelanzahlkonzentration eine große Herausforderung dar. Der Grund für die, im Vergleich zum klassischen Viertakt-Ottomotor mit Saugrohreinspritzung, stark erhöhten nanoskaligen Partikelemissionen, ist die nicht-vollständige Homogenisierung von Kraftstoff. Resultat sind lokal-unterstöchiometrische Verbrennungszonen, die, auf Grund unvollständiger Verbrennung, eine Partikelbildung begünstigen. Nichtsdestotrotz ist speziell aus Effizienz- und Klimaschutzgründen die Technologie der Benzindirekteinspritzung grundsätzlich zu begrüßen. Dabei gilt es aber die Partikelemissionen so zu reduzieren, dass der europäische Abgasgrenzwert deutlich unterschritten und somit gleichzeitig die menschliche Gesundheit gewahrt wird.

Zur Einhaltung der Grenzwerte müssen die Rußpartikeln deshalb mit oxidativen Reaktanden umgesetzt werden. Dies geschieht sowohl im Zylinder des Motors, als auch im Abgastrakt und schlussendlich auf dem Partikelfilter. In jedem dieser Teilschritte, die auf unterschiedlichsten Zeitskalen und Temperaturniveaus ablaufen, unterliegen die Rußpartikeln einer Oxidationsreaktion. Die Reaktivität von Rußpartikeln, die sich in einem speziellen Betriebspunkt des DE-Ottomotors bilden, sind dabei sowohl auf deren mikro-, als auch auf nanostrukturelle Merkmale zurückzuführen. Dabei gilt es, aus einer Vielzahl von messbaren Partikeleigenschaften diejenigen zu identifizieren, die einen dominierenden Einfluss auf das Reaktivitätsverhalten haben. Anschließend ist es möglich, Partikeleigenschafts-Reaktivitäts-Beziehungen abzuleiten, auf Grundlage derer die Reaktivität der Partikeln über den Motorbetrieb gesteuert werden kann.

Innerhalb dieses DFG geförderten Forschungsvorhabens werden zur Ermittlung von Partikeleigenschafts-Reaktivitäts-Beziehungen Rußproben an einem DE-Forschungs-Ottomotor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen entnommen. Diese werden hinsichtlich ihrer Reaktivität, Struktur und weiterer Eigenschaften ex-situ analysiert.

Ein weiteres Ziel ist es, die für die Reaktivität der Rußteilchen wesentlichen Eigenschaften in synthetischen Modellrußteilchen nachzubilden, um den Aufwand der Erzeugung von Partikeln durch langwierige und kostenintensive Versuche am Motorprüfstand zu minimieren. In diesem Zusammenhang werden verschiedenste Strategien verfolgt.

Das dritte Ziel des Vorhabens ist es, die reaktivitätsrelevanten mikro- und nanostrukturellen Partikeleigenschaften unter Einsatz laseroptischer Messtechnik in-situ zu detektieren. Die schnelle, berührungslose, optische Erfassung von reaktivitätsrelevanten Partikeleigenschaften bietet die Möglichkeit, die Reaktivität von Partikeln in kleinen Zeitmaßen, ohne Probeentnahme erfassen zu können. Die Reaktivität von Partikeln wird vermutlich durch (a) deren geometrische, mikrostrukturelle Eigenschaften und (b) den nanostrukturellen Aufbau, also die Ordnung, Orientierung und Ausdehnung vorhandener Graphenschichten bestimmt. Zur Detektion dieser Partikelmerkmale werden verschiedenste laseroptische Verfahren kombiniert. Die Validierung der Messtechnik erfolgt dabei unter Einsatz von Modellrußaerosolen.

Zum Erreichen der Ziele ist ein interdisziplinärer Ansatz nötig, der durch drei Institute – Institut für Kolbenmaschinen (IFKM), Engler-Bunte-Institut / Bereich Verbrennungstechnik (EBI-VBT), Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) – gewährleistet ist.

 

 

 

Publikationen


2024
Experimental and numerical investigation on soot formation and evolution of particle size distribution in laminar counterflow ethylene flames
Kalbhor, A.; Schmitz, R.; Ramirez, A.; Vlavakis, P.; Hagen, F. P.; Ferraro, F.; Braun-Unkhoff, M.; Kathrotia, T.; Riedel, U.; Trimis, D.; van Oijen, J.; Hasse, C.; Mira, D.
2024. Combustion and Flame, 260, Art.-Nr.: 113220. doi:10.1016/j.combustflame.2023.113220
Zur Struktur von Kohlenstoffnanopartikeln. Dissertation
Hagen, F. P.
2024, Januar 9. Karlsruher Institut für Technologie (KIT). doi:10.5445/IR/1000166087
2023
Relevance of C/O ratios in the gas-phase synthesis of freestanding few-layer graphene
Fortugno, P.; López-Cámara, C.-F.; Hagen, F.; Wiggers, H.; Schulz, C.
2023. Applications in Energy and Combustion Science, 15, Atkl.Nr.: 100180. doi:10.1016/j.jaecs.2023.100180
On-line monitoring of carbon nanostructure and soot reactivity in engine exhaust by dual-pulse laser-induced incandescence
Hagen, F. P.; Kretzler, D.; Koch, S.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D.; Kubach, H.; Velji, A.; Koch, T.
2023. Combustion and Flame, 254, Art.-Nr.: 112850. doi:10.1016/j.combustflame.2023.112850
Linking carbon nanostructure, optical properties, volume fraction, and size distribution of carbon nanoparticles formed in premixed flames
Bauer, M.; Hagen, F.; Kretzler, D.; Schulz, S.; Stelzner, B.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D.
2023. 31. Deutscher Flammentag (2023), Berlin, Deutschland, 27.–28. September 2023
Soot nanoparticle sizing in counterflow flames using in-situ particle sampling and differential mobility analysis verified with two-colour time-resolved laser-induced incandescence
Hagen, F. P.; Vlavakis, P.; Seitz, M.; Klövekorn, T.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D.
2023. Proceedings of the Combustion Institute, 39 (1), 1119–1128. doi:10.1016/j.proci.2022.07.253
2022
Influence of Global Operating Parameters on the Reactivity of Soot Particles from Direct Injection Gasoline Engines
Koch, S.; Hagen, F. P.; Büttner, L.; Hartmann, J.; Velji, A.; Kubach, H.; Koch, T.; Bockhorn, H.; Trimis, D.; Suntz, R.
2022. Emission Control Science and Technology, 8 (1-2), 9–35. doi:10.1007/s40825-022-00211-y
2021
Influence of Low Ambient Temperatures on the Exhaust Gas and Deposit Composition of Gasoline Engines
Appel, D.; Hagen, F. P.; Wagner, U.; Koch, T.; Bockhorn, H.; Trimis, D.
2021. Journal of energy resources technology, 143 (8), Art.-Nr.: 082306. doi:10.1115/1.4050492
Why Soot is not Alike Soot: A Molecular/Nanostructural Approach to Low Temperature Soot Oxidation
Hagen, F.; Hardock, F.; Koch, S.; Sebbar, N.; Bockhorn, H.; Loukou, A.; Kubach, H.; Suntz, R.; Trimis, D.; Koch, T.
2021. Flow, turbulence and combustion, 106 (2), 295–329. doi:10.1007/s10494-020-00205-2
Nanostructural and morphological characteristics of single soot aggregates during low-temperature oxidation
Hagen, F. P.; Bockhorn, H.; Störmer, H.; Loukou, A.; Suntz, R.; Trimis, D.
2021. Proceedings of the Combustion Institute, 38 (1), 1153–1161. doi:10.1016/j.proci.2020.06.338
2020
Influence of Low Ambient Temperatures on the Exhaust Gas and Deposit Composition of Gasoline Engines
Appel, D.; Hagen, F. P.; Wagner, U.; Koch, T.; Bockhorn, H.; Trimis, D.
2020. ASME 2020 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference, November 4–6, 2020, The American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi:10.1115/ICEF2020-2932
Spark discharge-generated soot: Varying nanostructure and reactivity against oxidation with molecular oxygen by synthesis conditions
Hagen, F. P.; Rinkenburger, A.; Günther, J.; Bockhorn, H.; Niessner, R.; Suntz, R.; Loukou, A.; Trimis, D.; Haisch, C.
2020. Journal of aerosol science, 143, Art.-Nr.: 105530. doi:10.1016/j.jaerosci.2020.105530
Impact of the Injection Strategy on Soot Reactivity and Particle Properties of a GDI Engine
Koch, S.; Kubach, H.; Velji, A.; Koch, T.; Hagen, F. P.; Bockhorn, H.; Loukou, A.; Trimis, D.; Suntz, R.
2020. WCX SAE World Congress Experience, Detroit, April 21-23, 2020. doi:10.4271/2020-01-0392
2019
Reactivity of Particles from Gasoline Direct Injection Engine: Correlation of Engine Parameters and Particle Characteristics
Koch, S.; Hagen, F. P.; Kubach, H.; Velji, A.; Koch, T.; Bockhorn, H.; Loukou, A.; Trimis, D.
2019, Juni 18. 23rd ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles (2019), Zürich, Schweiz, 17.–20. Juni 2019
Soot particle nanostructure from HRTEM images and reactivity towards oxidation [in press]
Hagen, F.; Hardock, F.; Bockhorn, H.; Loukou, A.; Suntz, R.; Trimis, D.
2019. Proceedings of the European Combustion Meeting – 2019, April 14-17, Lisboa, Portugal, p. S1_R1_90
HRTEM-Bildauswertungsalgorithmus zur Quantifizierung der geometrischen und Nano-Struktur von Rußpartikeln
Hagen, F.; Hardock, F.; Bockhorn, H.; Loukou, A.; Suntz, R.; Trimis, D.
2019. Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppen "Partikelmesstechnik und Aerosoltechnologie" (2019), Frankfurt am Main, Deutschland, 6.–7. März 2019
Soot Particles: Nanostructure from HRTEM Images, Optical Properties and Reactivity [in press]
Hagen, F.; Hardock, F.; Bockhorn, H.; Loukou, A.; Suntz, R.; Trimis, D.
2019. 11th Mediterranean Combustion Symposium, Tenerife, Spain, 16-20 June 2019
Soot particle nanostructure from HRTEM images and reactivity towards oxidation [in press]
Hagen, F.; Hardock, F.; Bockhorn, H.; Loukou, A.; Suntz, R.; Trimis, D.
2019. 9th European Combustion Meeting 2019, 14 - 17 April, 2019, Lisboa, Portugal - Book of Abstracts. Ed.: S. Pereira, 126, Instituto Superior Técnico
2018
Correlations of reactivity with structural and optical properties of soot particles for application in Gasoline Direct Injection engine exhaust gas aftertreatment
Hagen, F.; Loukou, A.; Vlavakis, P.; Häber, T.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D.
2018, August. 37th International Symposium on Combustion (2018), Dublin, Irland, 29. Juli–3. August 2018
2017
Comparison of Gasoline Direct-Injection (GDI) and Port Fuel Injection (PFI) Vehicle Emissions: Emission Certification Standards, Cold-Start, Secondary Organic Aerosol Formation Potential, and Potential Climate Impacts
Hagen, F. P.; Saliba, G.; Saleh, R.; Zhao, Y.; Presto, A. A.; Lambe, A. T.; Frodin, B.; Sardar, S.; Maldonado, H.; Maddox, C.; May, A. A.; Drozd, G. T.; Goldstein, A. H.; Russell, L. M.; Robinson, A. L.
2017. Environmental Science & Technology, 51 (11), 6542–6552. doi:10.1021/acs.est.6b06509