Abgaszusammensetzung bei niedrigen Temperaturen (FVV 1316)

Dieses Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V. wird in Kooperation mit dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen (IFKM) des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (https://www.ifkm.kit.edu) durchgeführt. Die stetig steigenden Emissionsgrenzwerte für den praktischen Fahrbetrieb (RDE) können nicht mehr allein durch rein motorstrategische Maßnahmen erfüllt werden. Die Sicherstellung der Funktionsfähigkeit abgasführender Komponenten und Systeme unter allen Randbedingungen in Verbindung mit intelligenten Motorbetriebskonzepten ist daher unerlässlich. Insbesondere die systembedingten Kaltstartbedingungen im Kurzstreckenverkehr stellen diesbezüglich eine besondere Herausforderung dar. Unter diesen Betriebsbedingungen können erhöhte Schadstoffemissionen durch innermotorische Effekte und ungünstige Betriebszustände der Abgasnachbehandlungssysteme bedingt sein. Darüber hinaus haben die Abgasbestandteile unter dem Einfluss unterschiedlicher Ablagerungsmechanismen einen erheblichen Einfluss auf den Ablagerungs- und Verschmutzungsprozess von abgasführenden Bauteiloberflächen sowie auf die Leistungsfähigkeit der Abgasnachbehandlungssysteme. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird die Abgaszusammensetzung eines Otto- sowie eines Dieselmotors bei Umgebungs- und Motorstarttemperaturen von -22 °C bis 23 °C anhand von realen Fahrzyklen näher untersucht. Dabei stehen insbesondere die primären Mechanismen der Ablagerungsbildung an den abgasführenden Bauteiloberflächen im Vordergrund. Die Kaltstartversuche werden sowohl an einem modernen Otto- als auch an einem Diesel-Serienmotor mit der jeweiligen Serienmotorperipherie durchgeführt. Mit dem Fokus auf einen realitätsnahen Motorbetrieb unter kalten Umgebungsbedingungen werden zum einen motorspezifische Betriebsstrategien berücksichtigt und zum anderen wird das dynamische Fahrverhalten unter realen Fahrbedingungen ergänzt. Die Kaltstartzyklen basieren sowohl auf dem innerstädtischen Teil des WLTC-Fahrzyklus als auch auf realistischen motorspezifischen Fahrprofilen, die auf dem städtischen RDE-Fahrbetrieb basieren.

Abbildung 1. Explosionsdarstellung eines Probenplattenhalters zur Aufnahme von vier Testträgern (A) und deren Integration in das Abgassystem (Schnittdarstellung, B). Die Darstellung wurde dem Final Report des FVV Projekts No. 1316 entnommen.

Für die Analyse und Charakterisierung der sich während des Fahrbetriebs aufbauenden Ablagerungsschichten auf abgasführenden Bauteiloberflächen wird ein neuartiges Messverfahren eingesetzt. Dazu gehört ein Probentellerhalter mit kleinen, keramischen Testträgern, der innerhalb der Abgasanlage positioniert wird. Darüber hinaus kann zwischen aktiv gekühlten und ungekühlten Probenplatten unterschieden werden, um den Einfluss der Bauteiloberflächentemperatur auf die Abscheidungstendenz zu analysieren. Die sich aufbauenden Ablagerungsschichten werden während des Motorbetriebs mit einer Hochgeschwindigkeitskamera verfolgt. Eine genauere Analyse der Ablagerungszusammensetzung auf den Probenplattenoberflächen nach einem Kaltstartzyklus erfolgt mittels Gaschromatographie gekoppelt mit Massenspektrometrie (GC/MS). Darüber hinaus kann die temperaturprogrammierte Oxidation (TPO) in einer Thermowaage zur Bestimmung der Reaktivität, der sich aufbauenden Schichten eingesetzt werden. Darüber liefern Elementaranalyse (EA) und die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) in Kombination mit Bildanalysealgorithmen Informationen über die Zusammensetzung der Ablagerung von der Mikro- bis zur Molekularebene. Eine detailliertere Charakterisierung des Ablagerungsprozesses von abgasführenden Komponenten unter hochdynamisch variierender Abgaszusammensetzung im transienten Motorbetrieb ist durch den Einsatz weiterer Messsysteme möglich. Ein Partikelspektrometer wird zur Analyse der Partikelgrößenverteilung und der Partikelanzahl eingesetzt. Zusätzlich werden Gasphasenspezies im Abgas mit Hilfe von Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) zeitaufgelöst nachgewiesen.

Im Rahmen dieses Projekts entstanden die folgenden Publikationen, auf die für weitere Informationen verwiesen sei:

• 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
• 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