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Optical and chemical analyses of the influence of engine operating conditions on the characteristics of soot and ash deposits in diesel particulate filters

Subject Area Technical Thermodynamics
Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
Term from 2016 to 2024
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 289214012
 
Final Report Year 2025

Final Report Abstract

Im Projekt ist das Betriebsverhalten von Dieselpartikelfiltern (DPF) unter dem Einfluss unterschiedlicher Aschezusammensetzungen untersucht worden, die bei der Verbrennung von Schmierölen entstehen. Ziel war es, die Wechselwirkungen zwischen den in den Filtern abgelagerten anorganischen Bestandteilen und der Rußoxidation zu verstehen. Diese Erkenntnisse sollen zur Verbesserung der Regeneration und der Langzeitstabilität entsprechender Systeme beitragen. Mit Hilfe eines speziell entwickelten Schnellveraschungssystems und eines serienmäßigen OM-651-Dieselmotors wurden herkömmliche DPF gezielt mit unterschiedlichen Aschegehalten (0, 5 und 17 g Asche pro l Filtervolumen) unter realitätsnahen Bedingungen beladen und anschließend mit verschiedenen Messtechniken analysiert. Zur Erzeugung der Filterproben wurde eine 1:1-Mischung aus Dieselkraftstoff und Motoröl verbrannt, wobei die entstehenden Ruß- und Aschepartikel über den Abgasstrang am Motorprüfstand in Gewebe- wie auch Partikelfilter eingebracht wurden. Fünf Schmieröle unterschiedlicher Formulierungen und Hersteller führten zu Unterschieden in der elementaren Aschezusammensetzung. Dadurch lassen sich systematische Rückschlüsse auf den Einfluss einzelner Bestandteile auf das Oxidationsverhalten ziehen. Die Rußpartikel wurden hinsichtlich ihrer Größenverteilung und nanostrukturellen Eigenschaften mittels elektrischer Mobilitätsmessung und Raman-Spektroskopie analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Präsenz von Asche nur geringe Auswirkungen auf die Rußstruktur hat. Ergänzend wurden Thermogravimetrische Analysen (TGA) durchgeführt, um das dynamische Oxidationsverhalten der Partikel zu untersuchen. Hierbei ergeben sich deutliche Unterschiede in der Oxidationskinetik, die sowohl katalytische Effekte durch bestimmte Elemente wie auch hemmende Effekte aufgrund der physischen Blockierung der Sauerstoffzugänge in den Filterkanälen widerspiegeln. So wirkt beispielsweise Magnesium in gewisser Konzentration als aktives Zentrum für die Sauerstoffadsorption auf der Rußoberfläche und kann die notwendige Aktivierungsenergie für die Oxidation senken. Hingegen wirkt unter anderem Calcium in der Asche hemmend, da es den Kontakt zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff beeinträchtigt. Ein zusätzlicher Einfluss der physischen Ablagerungen und dadurch verminderter Sauerstoffzugänglichkeit in den Filterkanälen spiegelt sich in einem Vergleich der unterschiedlichen Aschestufen wider. Während bei einer Beladung mit 5 g/l die Rußoxidaton durch Dominanz der katalytischen Effekte meist noch beschleunigt stattfindet, zeigen die TGA-Messungen eine verlangsamte Oxidation bei der Beladung mit 17 g/l. Durch den Aufbau dickerer Ascheschichten verschieben sich die Kurven der normierten Umsatzraten zu höheren Temperaturen. Dies deutet auf Einflüsse durch die Ascheverteilung und verschiedene Wechselwirkungen innerhalb der Filterstruktur hin. Diese Feststellung deckt sich mit den Ergebnissen der Analyse der Ascheschichtdicke sowie der Verteilung der chemischen Elemente in Filterkanal und -struktur anhand der REM- und EDX- Aufnahmen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass sowohl die chemische Zusammensetzung wie auch die physische Verteilung der Asche im Partikelfilter das Oxidationsverhalten maßgeblich beeinflussen. Die erzielten Ergebnisse legen nahe, dass das beobachtete Filterverhalten durch ein komplexes Zusammenspiel katalytischer und hemmender Effekte bestimmt wird. Um die zugrunde liegenden Mechanismen und den Beitrag einzelner Elemente systematisch voneinander zu trennen, sind weiterführende Untersuchungen notwendig. Durch eine isolierte Betrachtung der Effekte und eine gezielte Beladung der Filter mit einzelnen Elementen ließen sich belastbare Aussagen zu deren konkreten Einfluss auf das Regenrationsverhalten von Dieselpartikelfiltern ableiten, um eine fundierte Basis für die Optimierung von Partikelfiltersystemen und Schmierölformulierungen zu schaffen. Letztlich können die gewonnenen Erkenntnisse dazu beitragen, sowohl die Effizienz der Filterregeneration wie auch die Langzeitstabilität von DPF signifikant zu verbessern.

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