Reaktivität von Partikeln aus Ottomotoren: Beziehung zu Partikeleigenschaften und motorische Einflussparameter

Übergeordnetes Ziel des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, Projektnummer 316493809) geförderten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Eigenschafts-Reaktivitäts-Beziehungen sowie die Beeinflussung der Reaktivität von Rußpartikeln aus Ottomotoren mit Direkteinspritzung (GDI-Motoren) durch motorische Betriebsparameter, so dass die Regeneration der Partikelfilter durch die Einhaltung bestimmter Motorbetriebszyklen gezielt gesteuert werden kann. Die ersten und zweite Förderperiode des Vorhabens werden in Kooperation mit dem Institut für Kolbenmaschinen (IFKM) und dem Institut für Technische Chemie und Polymerchemie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt. In der ersten Förderperiode wurde die Erzeugung von Rußpartikeln mit unterschiedlichen Reaktivitäten in einem GDI-Motor mit Direkteinspritzung unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen realisiert. Ein Vergleich von Rußpartikeln aus dem GDI-Motor mit solchen aus Modellbrennern bei erhöhtem Druck und die Modifizierung der Partikelreaktivität durch die Motorbetriebsbedingungen bzw. die Synthesebedingungen zeigte, dass hinsichtlich der Reaktivität gegenüber der Oxidation mit Sauerstoff motorische Rußpartikeln durch Teilchen aus Modellbrennern abgebildet werden können. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Variation der motorischen Betriebsparameter (Drehzahl, Motorlast, Einspritzdruck, Beginn der Einspritzung, Zündzeitpunkt, Luftzahl) die Reaktivität von Rußpartikeln aus Ottomotoren mit Direkteinspritzung über einen weiten Bereich beeinflusst und gesteuert werden kann. Rußpartikeln aus dem GDI-Motor sowie den Modellbrennern wurden hinsichtlich ihrer Reaktivität, Mikro- und Nanostruktur sowie weiterer Eigenschaften ex situ mit einer Reihe von Charakterisierungsmethoden (Thermogravimetrische Analyse (TGA) gekoppelt mit Massenspektrometrie (MS) und Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FTIR), Gaschromatographie gekoppelt mit MS (GC-MS), UV-VIS Spektroskopie, Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) inkl. Mustererkennungsalgorithmen, Elementaranalyse (EA), BET-Oberflächenbestimmung via Gasadsorption, Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS), …) untersucht. Reaktivitäts-Eigenschafts-Beziehungen wurden aus experimentell bestimmten Reaktionsgeschwindigkeiten für die Oxidation mit O2 und der Analyse der Nanostruktur der Primärteilchen abgeleitet und über einen weiten Bereich der Parameter unter Einbeziehung unterschiedlicher Rußpartikelsysteme validiert. Als dominierende Eigenschaft für die Reaktivität wurde die Ausdehnung der Graphenschichten innerhalb der Rußprimärpartikeln identifiziert und eine annähernd lineare Korrelation zwischen der Ausdehnung der Graphenschichten und einem Reaktivitätsindex gefunden.

Weiterführende Literatur zu den genannten Aspekten:

• 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. 2022. Proceedings of the Combustion Institute. doi:10.1016/j.proci.2022.07.253
• 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
• 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
• 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

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten war die Entwicklung von in situ laser-optischen Methoden, mit denen Reaktivitäts-Eigenschafts-Beziehungen aus der Analyse der Nanostrukturen bestätigt werden konnten. Hierzu wurden die Brechungsindex-Absorptionsfunktionen unterschiedlicher Partikel sowie deren Verhältnis bei mehreren Wellenlängen bestimmt. Als Methoden wurden UV-VIS Spektroskopie an Rußpartikelaerosolen sowie zwei Farben zeitaufgelöste laser-induzierte Inkandeszenz (2C-TiRe-LII) bei drei unterschiedlichen Anregungswellenlängen (3λ-2C-TiRe-LII) angewendet. Es wurden annähernd lineare Korrelationen der Verhältnisse der Brechungsindex-Absorptionsfunktionen bei unterschiedlichen Wellenlängen mit der Ausdehnung der Graphenschichten innerhalb der Primärpartikel gefunden, wodurch ebenfalls Korrelationen dieser Verhältnisse der Brechungsindex-Absorptionsfunktionen mit der Partikelreaktivität bestehen. Als in situ optische Methode lassen sich durch die Bestimmung der Brechungsindex-Absorptionsfunktionen auch Informationen über die Reaktivität von Rußpartikeln während der Entstehung im Motor und der Nachoxidation im Abgastrakt gewinnen und diese damit im Hinblick auf ihr Abbrandverhalten bei der Partikelfilterregeneration charakterisieren.

Weiterführende Literatur zu den genannten Aspekten:

• From molecular to sub-μm scale: The interplay of precursor concentrations, primary particle size, and carbon nanostructure during soot formation in counter-flow diffusion flames Hagen, F. P.; Vlavakis, P.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D. 2023. Combustion and Flame, Article no: 112729. doi:10.1016/j.combustflame.2023.112729
• Carbon nanostructure and reactivity of soot particles from non-intrusive methods based on UV-VIS spectroscopy and time-resolved laser-induced incandescence Hagen, F. P.; Kretzler, D.; Häber, T.; Bockhorn, H.; Suntz, R.; Trimis, D. 2021. Carbon, 182, 634–654. doi:10.1016/j.carbon.2021.06.006

Die Arbeiten in der zweiten Förderperiode sollten, aufbauend auf den Vorarbeiten, die gewonnenen grundlegenden Erkenntnissen über die Eigenschafts-Reaktivitäts-Beziehungen vertiefen. Insbesondere sollten bisher nicht behandelte Fragestellungen wie die Rolle von aromatischen und sauerstoffhaltigen Brennstoffkomponenten untersucht werden und die aus den Experimenten gewonnenen kinetischen Ansätze in physikalisch-chemische basierte Modelle für die Anwendung in Partikelfiltern einfließen. Wie aus den Vorarbeiten bekannt ist, ändert sich die Reaktivität der Rußpartikel während der Oxidation. Zur weiteren Klärung dieser Fragen sollten die nano-strukturellen Eigenschaften der Rußpartikel, die für deren Reaktivität identifiziert wurden, ex situ für Partikel aus dem Motor und dem Abgastrakt verfolgt werden. Damit sollte die Programmierbarkeit der Reaktivität der Rußpartikel mit Hilfe von Motorparametern und die Steuerung des Abbrandverhaltens der Teilchen auf den Partikelfiltern ermöglicht werden.

Weiterführende Literatur zu den genannten Aspekten:

• 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

Die für die Reaktivität als maßgeblich identifizierten nanostrukturellen Eigenschaften (Ausdehnung der Graphenshichten) sollten weiterhin in situ während der Entstehung und Nachoxidation der Partikel im Motor und im Abgastrakt durch optische Verfahren verfolgt werden. Hierzu wurde aufbauend auf der 3λ-2C-TiRe-LII die Doppelpuls zeitaufgelöste laser-induzierte Inkandeszenz (DP-TiRe-LII) entwickelt. Diese diagnostische Methode erlaubt die eine berührungslose in situ Quantifizierung des Verhältnisses der Brechungsindex-Absorptionsfunktion transienter Aerosole. Darüber hinaus kann auch die Partikelgrößenverteilung gemessen werden. Die DP-TiRe-LII konnte erfolgreich zur in situ Bestimmung der Rußpartikelreaktivität transienter und stationärer Betriebsmodi eines GDI-Serienmotors stromaufwärts des Partikelfilters erprobt werden.

Weiterführende Literatur zu den genannten Aspekten:

• Dual-pulse laser-induced incandescence to quantify carbon nanostructure and related soot particle properties in transient flows – Concept and exploratory study Hagen, F. P.; Suntz, R.; Bockhorn, H.; Trimis, D. 2022. Combustion and flame, 243, Art.Nr. 112020. doi:10.1016/j.combustflame.2022.112020
• 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