Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss von Schmier- und Kraftstoffen auf das Partikel-Rohemissionsverhalten von Ottomotoren

Verschärfte Emissionsgrenzwerte und weiter optimierte Brennverfahren rücken weitere innermotorische Partikelemissionsquellen bzw. -bildungswege in den Fokus, um eine weitere Reduzierung dieser Emissionen erreichen zu können. Alle heutigen Kraft- und Schmierstoffe enthalten zur Verbesserung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften verschiedene Additivkomponenten. Diese sind zwar nur in geringen Konzentrationen beigemischt, können aber aufgrund ihrer Eigenschaften und Zusammensetzung insbesondere auf Emissionen sehr kleiner Partikel einen merklichen Einfluss haben, wie erste Messungen verschiedener Forschungsstellen gezeigt haben.

Aus diesem Grund ist die Erarbeitung detaillierter Kenntnisse über Wirk- und Einflussmechanismen notwendig, um insbesondere Additivhersteller die Möglichkeit zu geben, alternative Lösungen entwickeln zu können.

Die Problemstellung lässt sich mit folgenden Schlagworten kurz darstellen:

• Einfluss der Kraftstoffe und -additivierung auf die (Partikel-)Emissionen?

• Einfluss der Ölzusammensetzung und -additivierung auf die (Partikel-)Emissionen?

• Unterscheidung der Rußemissionen aus der Verbrennung von Kraftstoff bzw. Öl?

• Wirkung und Mechanismen des Öleintrags in den Brennraum auf die (Partikel-) Emissionen?

Um die Bildung von Partikelemissionen von Ottomotoren mit Direkteinspritzung bewerten und senken zu können, ist es notwendig, die Einflussgrößen auf die Partikelentstehung zu kennen und wie diese die Partikelcharakteristik, -größenverteilung und -konzentration beeinflussen. Im Fokus stehen kraftstoff- und schmierstoffseitige Einflüsse, die neben der Art der Prozessinteraktion insbesondere durch speziell hinzugefügte Additivkomponenten hervorgerufen werden.

Das hier generierte Verständnis zum Einfluss der Additivierung ermöglicht es vor allem KMUs, die alleine nicht in der Lage wären, die hier geplanten und notwendigen Untersuchungen durchzuführen, verbesserte Lösungen für verbrennungsmotorische Anwendungen zu entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

Um die Eigenschaften von Schmier- und Kraftstoffen zu optimieren, werden diesen Additive zugesetzt. Obwohl diese Additive nur gering dosiert werden haben sie einen signifikanten Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften und können somit die Entstehung von Partikeln stark begünstigen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken und die Entwicklung in Hinblick auf Partikelbildung optimierter Additivierungen zu ermöglichen, ist ein tiefgehendes Verständnis der Wirkmechanismen notwendig.

Zu diesem Zweck wurden sieben Öl- und Additivkombinationen, sowie ein additivierter sowie unadditivierter Ottokraftstoff untersucht. Um den Einfluss der Additive getrennt betrachten zu können, wurden diese einzeln einem unadditivierten Weißöl (Basisöl) zugesetzt. Ergänzt wurden die Versuche durch einen Vergleich mit einem volladditivierten Standardmotorenöl, sowie dem Basisöl als additivfreie Referenz.

Hierbei zeigt sich zunächst, dass die Art der Öleinbringung keinen signifikanten Effekt auf die Partikelbildung hat. Viel eher zeigen sich Unterschiede in Partikelanzahl und Größenverteilung beim Vergleich der Additive untereinander. So führt insbesondere Detergent im Öl zu einem Anstieg der Partikelanzahl, insbesondere im Bereich der Partikel kleiner 20 nm. Während ein messbarer, wenn auch geringerer Einfluss durch Viskositätsverbesserer im Öl identifiziert wurde, führen sowohl der additivierte Kraftstoff als auch alle anderen untersuchten Öladditive zu keinem Anstieg der Partikelemission.

Bei ergänzenden Untersuchungen an einem Vollmotor anderer Bauart bestätigen die Ergebnisse sowohl im stationären als auch im transienten Betrieb. Mit Blick auf die Rußreaktivität konnte durch Beladung von Proben und anschließender Thermogravimetrischer Analyse eine gesteigerte Reaktivität durch die Zumischung von Öl zum Kraftstoff festgestellt werden. Dieser Einfluss ist unabhängig von der Additivierung. Eine HRTEM Analyse der gesammelten Proben bestätigt hierbei einen reaktiveren Ruß.