Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

On-Board-Entfernung von kohlenstoffbasierten Ablagerungen aus dem Abgaspfad von Verbrennungsmotoren

Das geplante Vorhaben adressiert die Problematik der kohlenstoffhaltigen Ablagerungen im Abgasstrang von Verbrennungskraftmaschinen. Diese Ablagerungen resultieren aus der Thermophorese und Kondensation von Kohlenwasserstoffen, Partikeln und Wasser und können zur erheblichen Schädigung wichtiger Bauteile der Abgasreinigung führen. Dies betrifft insbesondere die Funktionalität von Oxidationskatalysatoren und Abgaskühlern, die für die Emissionsminderung essentiell sind. Vor diesem Hintergrund sollen wissenschaftlich fundierte Methoden zur On-Board-Entfernung der Ablagerungen entwickelt werden. Hierzu werden mit einem Motor kohlenstoffbasierte Beläge entsprechend der bekannten Fouling-Mechanismen erzeugt und in Hinblick auf deren chemische Zusammensetzung bzw. Struktur/Morphologie charakterisiert. Basierend darauf werden repräsentative Modellablagerungen systematisch auf ihre Abbaukinetik unter thermischem, hydrothermalem und oxidativem Einfluss untersucht. Aus der daraus gebildeten Matrix bestehend aus physikalisch-chemischen Eigenschaften, Abbaukinetiken und Testparametern wird eine Reaktivitäts-Struktur-Korrelation abgeleitet, die die wissensbasierte Identifizierung und Auswahl effizienter Verfahren ermöglicht. Zur Absicherung der Laborversuche werden auch entsprechende Experimente im motorischen Abgas vorgenommen. Aussichtsreiche Methoden werden schließlich in Validierungsexperimenten sowohl im Labor als auch am Motorprüfstand gezielt untersucht. In Ergänzung dazu erfolgen am Motor systematische Tests zum mechanischen Abtragen und dem Einsatz von Reinigungsmitteln. Abschließend werden die besten Methoden zur Ablagerungsentfernung in Bezug auf deren Effektivität und Praxistauglichkeit bewertet. Das Projekt ist für KMU in der Lieferkette der Automobilindustrie, insbesondere in speziellen Marktsegmenten, von hoher Relevanz, um die evaluierten Reinigungstechnologien aufzugreifen und in den jeweiligen Anwendungsnischen zur Serienreife zu entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

Systematische Untersuchungen wurden an realen AGR-Ventilen, Abgaskühlern, Modellablagerungen und Ablagerungen durchgeführt, die an einem speziell entwickelten Wärmeübertrager eines Motorprüfstands generiert wurden. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften der jeweiligen Ablagerungstypen wurden mittels Elektronenmikroskopie, Elementaranalyse, Raman-Spektroskopie, Infrarotspektroskopie und thermogravimetrischer Analyse charakterisiert. Basierend auf den Erkenntnissen wurden im Labormaßstab lackartige und klebrige/hochviskose Ablagerungen hergestellt und auf metallischen Oberflächen beschichtet. Eine Auswahl kommerziell verfügbarer und selbst hergestellter Reinigungsmittel und -lösungen wurde im Labor getestet und auf die Wirksamkeit der jeweiligen Bestandteile hin analysiert. Dabei erwies sich die Verwendung einer wässrigen Ethanolaminlösung in Bezug auf die Ablösung der Ablagerungen als sehr wirkungsvoll.

Am Motorprüfstand wurde die Einbringung des besten im Labor getesteten Reinigungsmittels mittels Einspritzung in die AGR-Strecke auf den realen Anwendungsfall übertragen. Die Einspritzstrategie wurde untersucht und festgelegt. Die Ergebnisse der darauf aufbauenden Untersuchungen mit der wässrigen Ethanolaminlösung bestätigten deren hohe Reinigungswirkung.

Ferner wurde die Ablagerungsentfernung durch eine strömungsinduzierte Ablösung an Modellablagerungen aus der AGR-Strecke an einem Strömungsprüfstand untersucht. Die Ablagerungen eines versotteten Dieseloxidationskatalysators konnten durch Temperaturerhöhung erfolgreich entfernt werden. Zudem konnte unter Verwendung von synthetischem Abgas die unterstützende Wirkung von NO bzw. NO2 in Hinblick auf die oxidative Reinigung versotteter Dieseloxidationsproben bestätigt werden. Die Verwendung kommerziell verfügbarer Kraftstoffadditive im Beladungsdauerversuch am Motorprüfstand führte unter den gegebenen Versuchsbedingungen hingegen nicht zu einer nennenswerten Reduzierung der Ablagerungsbildung.