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Kooperationsprojekt PTB-AVL „Erzeugung von Diesel und Propanruß mittels Diffusionsflammen und Vergleich ihrer Eignung als motorischen Verbrennungsprozessen analoges Kalibrieraerosol “

Optimierung von Rußaerosoleigenschaften zur prozessnahen Kalibration von Partikelzählern

09.05.2017

Der Hauptbestandteil des anthropogenen Feinstaubs unter 1 µm wird in städtischer Umgebung durch gesundheitsschädliche Rußpartikel erzeugt, die von Verbrennungsprozessen wie bspw. KFZ emittiert werden. Der Gesetzgeber reguliert diese Rußemissionen direkt an der Quelle, z. B. im Abgas von Verbrennungsmotoren. Die kontinuierliche Verschärfung der Emissions-Grenzwerte (bis hin zu den aktuellen Euro 5/6 Normen) führte zur Notwendigkeit neuer Messprinzipien zur Bestimmung der Rußpartikelanzahl aus Dieselmotoren und damit zum Bedarf einer Infrastruktur zur herstellerunabhängigen Validierung. Konkret bedeutet dies, die Charakterisierung von Partikelzählern sowie die metrologische Rückführung ihrer Messwerte. Die Wahl eines geeigneten Kalibrieraerosols spielt bei der Kalibration eine wichtige Rolle, da die eingesetzten Messverfahren mitunter beträchtlich stark von der Morphologie der zu erfassenden Partikel beeinflusst werden. Idealerweise sollte das Kalibrieraerosol den eigentlichen Zielpartikeln der Emissionsquelle so weit wie möglich ähneln.  Die Eigenschaften der Abgas-rußpartikel hängen jedoch stark vom Motortyp, dessen Betriebsbedingungen und dem verwendeten Brennstoff ab.

Hinsichtlich Stabilität und Reproduzierbarkeit gelten stabilisierte Diffusionsflammen als eine hochinteressante Aerosolquelle zum Kalibrieren von Partikelmesstechniken. Von besonderem Interesse sind hier auf der Verbrennung von Propan basierende – auch kommerziell verfügbare - Geräte, die gerne als als Combustion Aerosol Standard (CAST) bezeichnet werden. Erste Untersuchungen deuten darauf hin, dass es zwischen den Rußpartikeln aus einem Verbrennungsmotor und denen aus einer solchen Propan-Diffusionsflamme signifikante Unterschiede gibt, und zwar hinsichtlich Dichte und Oberflächenstruktur der Rußagglomerate (siehe Abbildung, wird noch ergänzt).

Die AG 3.23 untersucht daher Verfahren zur definierten Modifizierung von Rußpartikeln. Hierfür wurde ein neuartiger, mit flüssigem Dieselkraftstoff betriebener Rußgenerator (D-CAST) in Betrieb genommen. Dieser D-CAST wird derzeit hinsichtlich Partikelanzahl, -größe und -morphologie der Rußagglomerate charakterisiert. Parallel dazu werden an einem Diesel-Verbrennungsmotor Proben gewonnen und mit den CAST-Partikeln verglichen. Die Daten sollen Aufschluss geben über die Variabilität der motorischen Rußpartikelcharakteristika, den Einfluss der Motorbetriebsbedingungen auf die Morphologie, den Kohlenstoffgehalt und die Partikelanzahlgrößenverteilung.

Ziel der weiteren Arbeiten ist es, ausgehend von den motorischen Messungen die Eigenschaften des Dieselaerosols dahingehend zu optimieren, ein den motorischen Verbrennungsprozessen ähnliches, aber stabiles Rußaerosol zu erzeugen, um damit die Vergleichbarkeit verschiedener physikalischer Messprinzipien zwischen in-situ-Messungen am Abgasstrang eines Verbrennungsmotors und eines im Labor generierten Aerosols zu verbessern.