Motordiagnostik: Stickoxid Diagnostik

Stickoxid Diagnostik

Seit der Entwicklung des Automobils stellen Schadstoffemissionen von Verbrennungsmotoren eine wachsende Bedrohung für Mensch und Umwelt dar. Die wichtigsten Schadstoffe sind Stickoxide (NO und NO2, kurz NOx), Ruß, Kohlenwasserstoffe (CxHy) und Schwefeloxide (SOx). CO2 ist mit verantwortlich für den zunehmenden anthropogenen Treibhauseffekt. Stickoxide verursachen den bekannten Sommersmog (Ozon am Boden) und sind gemeinsam mit den Schwefeloxiden für sauren Regen verantwortlich. Im Motor wird zunächst Stickstoffmonoxid (Stickoxid, NO) gebildet; dieses reagiert erst im Abgas oder im Kontakt mit der Luft zu Stickstoffdioxid (NO2).

Während die Emission von Schwefeloxiden durch die Verwendung von schwefelarmem Kraftstoff wirksam reduziert werden kann, bildet sich Stickoxid hauptsächlich aus dem Stickstoff der zur Verbrennung verwendeten Luft. Die Bildung im Motor kann daher nicht ohne weiteres verhindert werden; stattdessen werden beispielsweise 3-Wege-Katalysatoren benötigt, die die Reduktion von Stickoxiden aus dem Abgas ermöglichen. Kontinuierlich verschärfte gesetzliche Grenzwerte, neue Motorenkonzepte, die den Einsatz von Katalysatoren nicht mehr erlauben, und nicht zuletzt die hohen Kosten von Katalysatoren fordern Motorenkonstrukteure jedoch heraus, die Bildung von Stickoxid schon während der Verbrennung zu vermeiden.

Hierfür ist zunächst das Verständis erforderlich, wie sich Stickoxid unter motorischen Bedingungen überhaupt bildet. Abbildende Messungen der Laserinduzierten Fluoresenz (LIF) haben sich als geeignet erwiesen, die NO-Bildung während des Verbrennungsvorgangs im Motor zu beobachten. Hierzu wird ein Motor mit Quarzglasfenster im Zylinder oder im Kolben ausgestattet. Laser und bildverstärkte Kameras können dann mit hoher zeitlicher Auflösung eine Momentaufnahme der Stickoxid-Fluoreszenz festhalten. Abb. 1 zeigt die NO-Konzentration in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel in einem optisch zugänglichen, direkteinspritzenden Ottomotor (BMW) [1].

  

Abbildung 1: Gemittelte NO-Konzentrationen (links), Einzelbilder (Mitte) sowie Standardabweichung (rechts) in Abhängigkeit von der Kurbelwinkelposition des Motors (links unten). 0° Kurbelwinkel entsprechen dem oberen Totpunkt, dem oberen Umkehrpunkt des Kolbens. Gezündet wurde bei -30° Kurbelwinkel. Das Maximum der Farbskala entspricht 1300 ppm (links und Mitte) bzw. 100 Prozent (rechts).

An diesem Motor wurde der Einfluss von Abgasrückführung (AGR) auf die NO-Bildung untersucht. Bei der AGR wird ein Teil des Abgases dem Frischgas für den nächsten Verbrennungszyklus zugeführt. Das rückgeführte Abgas setzt die Verbrennungstemperatur herab, da die Verbrennungsgase praktisch verdünnt werden. Da sich NO bevorzugt bei hohen Temperaturen bildet, führt dies zu einer Reduktion der NO-Bildung. Die LIF Messungen erlauben Einblick in das Ausmaß und den Mechanismus der Reduktion (siehe Abb. 2) [1].

Abbildung 2: Mittlere NO-Konzentration in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel für verschiedene Motorbedingungen: ohne Abgasrückführung (schwarz) und mit verschiedener Menge und Zusammensetzung von rückgeführtem Abgas. Die Punkte im rechten Teil der Grafik stellen im Abgas gemessene NO-Konzentrationen dar.

AGR wird in modernen Motoren bereits eingesetzt, um die NO-Bildung zu reduzieren. Dies ist allerdings nur in begrenztem Maße möglich, da die Verbrennung mit zunehmender rückgeführter Abgasmenge instabiler wird und sich die Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen erhöht. Laserbasierte Stickoxid-Diagnostik wird daher auch weiterhin notwendig sein, Methoden zur Schadstoffreduzierung zu entwickeln.

Die der quantitativen Interpretation von LIF-Intensitäten zugrunde liegenden spektroskopischen Eigenschaften werden systematisch in Hochdruckexperimenten wie Flammen, beheizbaren Zellen und Stoßrohren untersucht (siehe Abschnitt "Spektroskopische Untersuchungen in Hochdruckflammen") und als Grundlage für die Entwicklung von spektralen Simulationsverfahren (www.lifsim.com) verwendet.

Literatur:

[1] W. G. Bessler, C. Schulz, M. Hartmann, M. Schenk, Quantitative in-cylinder NO-LIF imaging in a direct-injected gasoline engine with exhaust gas recirculation, SAE paper 2001-01-1978 (2001).

Eine Auswahl von Publikationen über NO Diagnostik im Motor:

[2] G. Suck, J. Jakobs, S. Nicklitzsch, T. Lee, W. G. Bessler, M. Hofmann, F. Zimmermann, and C. Schulz, "NO laser-induced fluorescence imaging in the combustion chamber of a spray-guided direct-injection gasoline engine," SAE Technical Paper Series 2004-01-1918 (2004).
[3] F. Hildenbrand, C. Schulz, F. Keller, G. König, and E. Wagner, "Quantitative laser diagnostic studies of the NO distribution in a DI Diesel engine with PLN and CR injection systems," SAE Technical Paper No. 2001-01-3500 (2001).
[4] F. Hildenbrand, C. Schulz, J. Wolfrum, F. Keller, E. Wagner, Laser diagnostic analysis of NO formation in a direct injection Diesel engine with pump-line nozzle and common-rail injection systems, Proc. Combust. Inst. 28, 1137-1144 (2000).
[5] F. Hildenbrand, C. Schulz, M. Hartmann, F. Puchner, G. Wawrschin, In-Cylinder NO-LIF imaging in a realistic GDI engine using KrF excimer laser excitation, Society of Automotive Engineers, Tech. Paper Series, 1999-01-3545 (1999).
[6] C. Schulz, J. Wolfrum, and V. Sick, "Comparative study of experimental and numerical NO profiles in SI combustion," Proc. Combust. Inst. 27, 2077-2084 (1998).
[7] G. Josefsson, I. Magnusson, F. Hildenbrand, C. Schulz, and V. Sick, "Multidimensional laser diagnostic and numerical analysis of NO formation in a gasoline engine," Proc. Combust. Inst. 27, 2085-2092 (1998).
[8] F. Hildenbrand, C. Schulz, V. Sick, G. Josefsson, L. Magnusson, Ö. Andersson, M. Aldén, Laser spectroscopic invesitigation of flow fields and NO-formation in a realistic SI engine, SAE Technical Paper Series No. 980148 (1998).
[9] C. Schulz, V. Sick, J. Wolfrum, V. Drewes, M. Zahn, R. Maly, Quantitative 2D single-shot imaging of NO concentrations and temperatures in a transparent SI engine, Proc. Combust. Inst. 26, 2597-2604 (1996).
[10] C. Schulz, B. Yip, V. Sick, J. Wolfrum, A laser-induced fluorescence scheme for imaging nitric oxide in engines, Chem. Phys. Lett. 242, 259-264 (1995).