Motordiagnostik: Rußbildung in der motorischen Verbrennung

Flackernde Kerzenflammen, Lagerfeuer oder Verbrennungsmotoren produzieren Ruß. Rußbildung bedeutet einen Verlust an nutzbarer Energie. Rußablagerungen beeinträchtigen die thermischen und mechanischen Eigenschaften eines Motors und die Rußverteilung beeinflusst unmittelbar Wärmeabstrahlung und Temperaturfeld der Verbrennung. Im Abgas von Dieselmotoren sind feine Rußpartikel enthalten. Diese stehen im Verdacht, Krebs zu erzeugen. Die schwarzen Rußwolken der Dieselmotoren der 80er Jahre sind zwar passé. Aber gerade die verbleibenden, unsichtbaren Feinpartikel sind nach Überzeugung der Toxikologen ein Problem. Dieselmotoren gelten mit als die wichtigsten Emittenten von Feinstäuben [1].

Abbildung 1: Experimenteller Aufbau zur simultanen, orts- und zeitaufgelösten Messung von Rußvolumenbruch (LII), Stickoxid Konzentration (NO-LIF) und Treibstoffdampfkonzentration (Rayleigh Streuung) in einer Hochdruck-, Hochtemperatur Dieselspraykammer unter motortypischen Bedingungen.

Die Rußbildung in mit Kohlenwasserstoffen betriebenen Motoren, insbesondere Dieselmotoren und Flugzeugturbinen, steht daher im Brennpunkt der Forschung. In der motorischen Verbrennung sind Ruß und Stickoxid in der Regel Antagonisten. Eine geringe Rußproduktion wird mit einem hohen NO Ausstoß erkauft und umgekehrt. Während aber die NO Bildung inzwischen recht gut untersucht ist, ist die Bildung von Rußpartikeln im Dieselspray (siehe auch Sprayverdampfung) so schnell und komplex und experimentell so schwierig zu untersuchen, dass sie noch nicht ausreichend verstanden ist. Ruß besteht aus Agglomeraten von bis zu einigen hundert Nanometern Durchmesser, die eine Feinstruktur aus sphärischen Primärpartikeln aufweisen. Die Rußbildung beginnt mit der Pyrolyse des Treibstoffes und der Ausbildung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH). Ein wichtiger Vorläufer für die Bildung höherer Kohlenwasserstoffe ist das Ethin (Acetylen, C2H2). Es folgen Kondensationsprozesse in der Ebene. Schließlich kommt es zu einer Umlagerung zu sphärischen Partikeln, die an der Oberfläche weiterwachsen.

 

 

 

Abbildung 2: Schematischer Aufbau aus Abb. 1

Die meisten Untersuchungen von Ruß in Verbrennungsvorgängen basierten auf elastischer Lichtstreuung, Extinktion oder invasiver Probenentnahme. Neuerdings hat sich die Laser-Induzierte Inkandeszenz (LII) als attraktive, robuste und vielseitige Technik zur Messung von Ruß in unbeständigen Flüssen von komplexer Geometrie bewährt [2]. Abb. 1 und 2 zeigen einen Versuchsaufbau zur simultanen Messungen von Rußvolumenbruch (LII), Stickoxid Konzentration (NO-LIF) und Treibstoffkonzentration (Rayleigh Streuung) an einem brennenden Dieselspray unter motortypischen Bedingungen.

Abbildung 3: Simultane Messung Rußvolumenbruch (LII) und Treibstoffdampfdichte (Rayleigh Streuung) am brennenden Dieselspray. Gastemperatur 720 K, Injektionsdruck 1200 bar, Gasdruck 73 bar, Beobachtungszeit 3,0 ms nach Injektion, Injektionsdauer 4,5 ms, Durchschnitt aus 50 Einzelbildern, Durchmesser Einspritzdüse 0,19 mm, 10,5% Hydrogrinding, Treibstoff n-Dekan. Zu diesem Beobachtungszeitpunkt wird das elastische Streusignal (rechts) ausschließlich von Rußpartikeln erzeugt.

Literatur:

[1] D. H. Lamparter, Kennzeichen D - Deutschlands Autofahrer steigen reihenweise auf Diesel um - Umweltschützer warnen vor möglichen Gesundheitsgefahren, Die Zeit, Nr. 3, 13. Jan. 2000, S. 19.
[2] J. Dec et al., Soot Distribution in a D.I. Diesel Engine Using 2-D Laser Induced Incandescence Imaging, SAE paper No. 910224 (1991).
[3] B. F. Kock, T. Eckhardt, and P. Roth, "In-cylinder sizing of Diesel particles by time-resolved laser-induced incandescence (TR-LII)," Proc. Combust. Inst. 29, 2775-2781 (2002).
[4] M. Hofmann, W. G. Bessler, J. Gronki, C. Schulz, and H. Jander, "Investigations on laser-induced incandescence (LII) for soot diagnostics at high-pressure," in Laser Applications to chemical and environmental analsyis, OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington DC, 2002), p. FC1/1-FC1/3.
[5] M. Hofmann, W. G. Bessler, C. Schulz, and H. Jander, "Laser-induced incandescence (LII) for soot diagnostics at high pressure," Appl. Opt. 42, 2052-2062 (2003).
[6] B. F. Kock, C. Schulz, and P. Roth, "Time-resolved LII applied to soot particle sizing and concentration measurements in the cylinder of a Diesel engine," Combust. Flame, in press (2006).
[7] A. V. Eremin, E. V. Gurentsov, M. Hofmann, B. F. Kock, and C. Schulz, "TR-LII for sizing of carbon particles forming at room temperature," Appl. Phys. B, in review (2006).
[8] B. F. Kock, C. Kayan, J. Knipping, H. R. Orthner, and P. Roth, "Comparison of LII and TEM sizing during synthesis of iron particle chains," Proc. Combust. Inst. 30, 1689-1697 (2005).
[9] B. F. Kock and P. Roth, "Two-color TR-LII applied to in-cylinder Diesel particle sizing," in Proc. of the European Combustion Meeting (Orléans, 2003).
[10] C. Schulz, B. F. Kock, M. Hofmann, H. A. Michelsen, S. Will, B. Bougie, R. Suntz, and G. J. Smallwood, "Laser-induced incandescence: recent trends and current questions," Appl. Phys. B, DOI: 10.1007/s00340-006-2260-8 (2006).
[11] C. Schulz, J. Gronki, and S. Andersson, "Multi-species laser-based imaging measurements in a Diesel spray," SAE Technical Paper Series 2004-01-1917 (2004).