Kraftstoffzusammensetzung

Real Driving Emissions (RDE) und Rußbildung

Kurzbeschreibung

Neben der Verringerung der Treibhausgasemissionen ist die Luftreinhaltung ein zentrales Mobilitätsthema. Ab der Abgasnorm EURO 6b liegt der Grenzwert für die Partikelanzahl bei 6×10¹¹ Partikeln/ km. Moderne Ottomotoren sind daher serienmäßig mit Ottopartikelfiltern ausgestattet, um aktuelle und zukünftige Grenzwerte auch unter schwierigen Randbedingungen, wie z.B. im RDE-Test (Real Driving Emissions), einhalten zu können. Ein anderer Ansatz besteht darin, den Kraftstoff so zu formulieren, dass während des Betriebs so wenig Partikel wie möglich entstehen. Um solche Kraftstoffe zu entwerfen, bedarf es einer Methode zur Vorhersage der Rußbildung.

Stand der Technik bei der Vorhersage der Rußemissionen sind empirisch ermittelte Indizes, die auf ausgewählten physikalisch-chemischen Stoffwerten der Kraftstoffe basieren (JAMA PN Index, Honda PMI, MW PN Index, …).

Die derzeitigen Methoden zur Charakterisierung der Rußbildungstendenzen haben folgende Nachteile:

• Die Untersuchungen wurden an einzelnen Motoren und Herstellern durchgeführt. Das bedeutet, dass die Ergebnisse nicht universell auf andere Motorvarianten übertragbar sind.
• Es wurden indirekte Zusammenhänge von einzelnen Kraftstoffeigenschaften zum Emissionsverhalten hergestellt. Die Gesamtheit der Eigenschaften eines Stoffes kann mit diesen Methoden nicht erfasst werden.
• Die genauen Vorgänge der Rußbildung bei der Verbrennung, insbesondere mögliche Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Kraftstoffkomponenten, sind in den Korrelationsgleichungen nicht berücksichtigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass derzeit keine direkte analytische Methode mit geeigneter Robustheit für den nicht-wissenschaftlichen Laborgebrauch existiert.

Im Grundlagenbereich der Verbrennungsforschung ist die Verwendung des Yield Sooting Index (YSI) eine etablierte Methode für die Bewertung des Rußpotentials von Kraftstoffen. Der YSI ist ein experimentell zu bestimmender Index, der die gesamte Abfolge von Brennstoff/Luft-Mischung, Verbrennung und Schadstoffbildung umfasst. Zur Bestimmung des YSI wird der Testbrennstoff in eine Methanflamme eingebracht und der maximale Rußvolumenanteil mit optischen Messverfahren gemessen.

In einer Studie wurden die YSI-Messungen mit den Abgasemissionen korreliert, sodass das Potential dieses Index für die Voraussage der Ruß-RDE tiefer untersucht werden sollte.

Ziele des Projekts

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuartigen Methode zur Vorhersage des Rußemissionsverhaltens in RDE-Zyklen. Neben der Bestätigung der Eignung des YSI als Bewertungskriterium für die Real Driving Emissions, wird die Korrelation einer neuartigen, vereinfachten Labortestmethode (Diffusions-Brenner) mit RDE-Untersuchungen erstellt. Damit soll die Anwendbarkeit der Methode für einfachere und schnellere Untersuchungen herausgearbeitet werden. Diese Methodik basiert auf der Auswertung von spektralen Intensitäten sowie Flackerfrequenzen der dotierten Methan-Flamme. Die Methode könnte den Testaufwand um ein Vielfaches reduzieren und damit die Kosten für die Automobilindustrie sowie die Kraftstoff produzierende und entwickelnde Industrie senken.

Arbeitsaufgaben OWI

• Auswahl von 20 bis 30 unterschiedlichen Kraftstoffen bzw. Kraftstoffmischungen für Untersuchungen mit einem Diffusionsbrenner und einem Motorenprüfstand
• Konzeption und Installation des Versuchsaufbaus sowie Versuchsdurchführung mit dem Diffusionsbrenner zur Bestimmung des Yield-Sooting-Index (YSI).
• Entwicklung und Evaluierung einer robusten Methodik für die Abschätzung des Rußbildungspotentials. Sie soll den Aufwand der komplexen, etablierten, optischen Messungen des Rußanteils reduzieren und den Einsatz der Testmethodik in einfachen Laboren (Kraftstoffhersteller, Motorenhersteller, …) ermöglichen.

Durchführende Forschungsstellen

• OWI Science for Fuels gGmbH
• Institut für Kolbenmaschinen des Karlsruher Instituts für Technologie

Projektförderung

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV)

Projektlaufzeit

09/ 2021 bis 08/ 2023

Kontakt

M. Sc. Sergej Warkentin
Tel.: 02407/ 9518-134
S.Warkentin@owi-aachen.de