Flugzeuggetragene Messungen von Eis- und Rußpartikeln in Kondensstreifen bei Verwendung konventioneller und synthetischer Treibstoffe

Kondensstreifen-Zirren steuern derzeit mehr als 2% zum gesamten anthropogenen Strahlungsantrieb bei und liefern damit den größten Beitrag zur Klimawirkung des globalen Luftverkehrs. Gemäß aktuellen Simulationen korreliert der Strahlungsantrieb von Kondensstreifen-Zirren stark mit der Höhe ihrer Eispartikelkonzentrationen. Durch deren systematische Reduktion ließe sich folglich die Klimawirkung des Luftverkehrs zu einem gewissen Grad von dessen Wachstum entkoppeln und dies - im Gegensatz zur Wirkungsweise von CO2 - bereits auf Zeitskalen von Stunden. In dieser Hinsicht scheint die Nutzung alternativer, synthetischer Treibstoffe mit reduziertem Aromatengehalt aussichtsreich, konnten doch für diese deutlich reduzierte Rußemissionen experimentell nachgewiesen werden. Allerdings wird bislang eine von Ruß kontrollierte Eisbildung in Kondensstreifen lediglich angenommen, konnte aber noch nicht experimentell belegt werden. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals experimentell untersucht, ob die Nutzung synthetischer Treibstoffe zu einer systematischen Reduktion der Eisanzahlkonzentrationen in Kondensstreifen führt. Im Rahmen des DLR-Projekts ECLIF (Emissions and Climate Impact of Alternative Fuels) wurden hierzu Kondensstreifen eines entsprechend betankten Airbus A320 mit dem DLR-Forschungsflugzeug Falcon in-situ vermessen. Auf Grundlage einer eingehenden Charakterisierung des CAS-Instruments (Cloud and Aerosol Spectrometer) und des Einflusses von Eisresiduen auf die Messung interstitieller Rußpartikel wurde ein qualitätsgesicherter Datensatz kondensstreifeninterner sowie atmosphärischer Parameter gewonnen. Dieser wird genutzt, um zunächst mikrophysikalische und dynamische Prozesse in Kondensstreifen gezielt zu analysieren. So kann durch eine Gegenüberstellung der in Kondensstreifen gemessenen Vertikalprofile von Ruß- und Eispartikelzahlen die rußkontrollierte Eisbildung für Rußemissionen im Bereich von 2-5 × 10^15 Partikeln je kg verbranntem Treibstoff erstmals im Flugversuch nachgewiesen werden. Bei Temperaturen von ca. 215 K werden dabei Aktivierungsraten von etwa 90% gefunden. Weiter gelingt es, Sublimationsverluste von Eispartikeln im Flugzeugnachlauf direkt nachzuweisen, zu quantifizieren und auf die adiabatische Erwärmung des absinkenden Wirbelsystems zurückzuführen. Auf Basis dieser Analysen wird erstmals experimentell gezeigt, dass die Verwendung semisynthetischer, aromatenarmer Treibstoffe zu einer systematischen Reduktion von Eispartikelzahlen in Kondensstreifen führt. Unter für die nördlichen Extratropen typischen Reiseflugbedingungen und einen gängigen Flugzeugtyp (A320, IAE V2527-A5 Triebwerke) werden gegenüber konventionellem Jet A-1 für einen semisynthetischen Treibstoff deutliche Reduktionen der Anzahl emittierter Rußpartikel um 52(± 3)%, initial gebildeter Eispartikel um 50(± 4)%, sowie der gegen Ende der Wirbelphase im Mittel vorliegenden Eispartikel um 36(± 5)% ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, das Potential synthetischer Treibstoffe zur Reduktion der Klimawirkung des globalen Luftverkehrs besser bewerten zu können.With a share of more than 2% contrail cirrus currently yields the largest single-component contribution from aviation to total anthropogenic climate forcing. According to global simulations the radiative forcing due to contrail cirrus correlates considerably with the number of associated ice particles. Hence, reducing ice particle numbers in contrails represents a fast acting measure to decouple - at least to some extent - the climate forcing of global aviation from its growth. In this regard, the use of alternative synthetic fuels with substantially lower aromatic content seems promising,since, compared to conventional Jet A-1, these fuels cause much lower numbers of emitted soot particles, which are often assumed - but not yet experimentally verified - to control ice particle nucleation in contrails. The present work analyzes if switching from conventional to synthetic fuels leads to systematically reduced ice particle numbers present in contrails. To this end, in situ measurements were performed employing instruments installed on the DLR research aircraft Falcon to sample contrails originating from an Airbus A320 burning both conventional and semi-synthetic fuels. Conducted within the DLR project Emissions and Climate Impact of Alternative Fuels (ECLIF), measurements in contrails from semi-synthetic fuels are the first of their kind. In order to obtain a high quality data set of contrail and environmental parameters, both the Cloud and Aerosol Spectrometer (CAS) and the impact of ice residues on measurements of interstitial soot particles were characterized in-depth. Before focussing on fuel effects, microphysical and dynamical processes governing contrail formation and evolution are studied in detail. By juxtaposing vertical profiles of measured ice and soot particle numbers during the vortex descent, strong evidence is provided that soot particles indeed control ice particle formation for soot emissions in the range of 2-5 × 10^15 particles per kg of fuel burned. At temperatures close to 215 K around 90% of the emitted soot particles are found to contribute to ice particle formation. Furthermore the results provide direct observational evidence of sublimation substantially reducing ice particle abundances in descending aircraft wakes due to adiabatic heating. Based on these analyses it is shown that, compared to conventional Jet A-1, ice particle numbers in contrails originating from semi-synthetic fuels are systematically reduced. Concerning a widespread type of aircraft (A320, IAE V2527-A5 engines) and conditions typical for cruise flights in the northern extratropics, marked reductions of the number of emitted soot particles of 52(± 3)%, initially formed ice particles of 50(± 4)% and of wake-averaged ice numbers towards the end of the vortex phase of 36(± 5)% are found when comparing semi-synthetic to conventional fuel. The results of this study will help to assess the overall potential of synthetic fuels as a measure to mitigate the climate impact of aviation

Diesel-elektrischer Hybridantrieb für kommunale Arbeitsmaschinen

Angepasste Hybridantriebe in mobilen Arbeitsmaschinen (off-highway Anwendungen) versprechen wegen der typischerweise auftretenden Lastzyklen mit ausgeprägten, häufigen und schnellen Laständerungen folgende Vorteile: geringerer Kraftstoffverbrauch, Einsatz eines Dieselmotors kleinerer Leistung, dadurch Erfüllung strikter werdender Emissionsvorschriften (TIER 4, EURO 5) ohne oder mit reduzierter Abgasnachbehandlung, Lärmreduktion, weitere Einsparpotenziale durch Elektrifizierung der Fahrzeugfunktionen möglich (Erhöhung des Hybridisierungsgrads), höhere Produktivität durch höhere Antriebsdynamik.Several duty cycles have been performed with the LADOG multipurpose community vehicle equipped with a conventional diesel engine drive train. Based on these results, simulation calculations have been performed to estimate the fuel savings which can be achieved if this mobile machine would be equipped with a parallel diesel-electric hybrid drive train. Two hybrid configurations were considered, one with the original diesel engine and one with a right-sized, i.e. a smaller diesel engine. Several operation modes of the hybrid were simulated like start-stop function, recuperation, boosting and diesel engine operation for optimized fuel consumption (characteristic mapping). The simulation results showed fuel savings up to 20 % even for this community vehicle which seemed not to be attractive for hybridization. This LADOG vehicle is actually modified by the hybrid drive train substituting the pure diesel drive train. The experimental proof of the simulations is under way

Untersuchungen zur Ablagerung von Rußpartikeln aus dem Abgas von Dieselmotoren

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Ultraschalldämpfungsspektroskopie grobdisperser Systeme

Die Charakterisierung von Nanopartikeln erfordert eine Messung des Dispersitätszustandes bei allen Schritten der Herstellung - von der Synthese bis zum fertigen Produkt. Dafür ist eine leistungsfähige Partikelmesstechnik notwendig, deren Methoden bei der Beschreibung des komplexen Materialverhaltens helfen können. Die Ultraschalldämpfungsspektroskopie ist eine Messmethode, die zur prozessbegleitenden Charakterisierung hochdisperser Pulver und Suspensionen geeignet ist. Mit Vergleichen von Messungen und Modellrechungen wurde festgestellt, dass für die Ultraschalldämpfungs-Modellierung in Dispersionen homogener Partikel ein auf dem Phänomen der elastischen Streuung basierendes Modell praktisch relevant ist. Dies betrifft sowohl die Anwendung zur Messung in Suspensionen als auch in Emulsionen homogener Partikel. Bei einem Vergleich von Modellrechungen und Messungen für ein System poröser Partikel bzw. Aggregate wurde das Modell der Streuung an poroelastischen Kugeln als geeignet zur Beschreibung der Dämpfung disperser Systeme identifiziert. Bei Vorhandensein grober Partikel in Suspensionen nanoskaliger Systeme ist somit eine korrekte Auswertung der Partikelgröße möglich; der bislang übliche Messbereich wurde erweitert. Sekundärer Schwerpunkt der Arbeit ist die Diskussion der numerischen Modellanwendung. Es werden weiterhin Lösungsmöglichkeiten zur Dämpfungsberechnung und zur Berechnung der Größenverteilungen beschrieben. Des Weiteren wurden Anregungen für Entwickler von Ultraschallspektrometern abgeleitet

Opto-fluidische Mikrosysteme zur Partikelanalyse

The present thesis shows the integration of opto-fluidic systems for the measurement of the particle mass concentration and a mean particle size in flowing suspensions of water and standardized test dust. The particles under test follow the standard ISO 12103-1 in the granulations fine, medium and coarse. The particles show diameters between 0.5 und 150 µm and the samples follow different particle size distributions.The measurement of the mean value and the standard deviation of the scattered light and the transmission allows for the determination of the mass concentration and the Sauter mean diameter of the particle size distributions. For increasing mean particle sizes and constant particle mass concentrations the signal-noise-ratio decreases as the scattered light is superimposed by the excitation beam.In order to separate the scattered light from the excitation beam the approach of Talbot interferometry is investigated. Based on the model of Fresnel diffraction an analytical simulation approach is introduced. The expected signal in a self-imaging plane of a diffraction grating is evaluated in terms of the particle position and the ratio of particle size to grating period.The signal-noise-ratio of the approach is different from that of the transmission measurement. If the particles under test are larger than 10 µm and the measuring length is only a few hundred µm the approach of Talbot interferometry shows better behaviour. Based on theoretical considerations and different simulation approaches integrated measuring systems are developed following the concept of planar integrated free-space optics. An integrated system that measures both the transmission and the scattered light is demonstrated. The particle mass concentration and the Sauter mean diameter can be determined with a limit of detection lower than 1 mg/l. For optimum integration a planar emitter-receiver-unit comprising a VCSEL at 850 nm as light source and monolithically integrated segmented photodiodes are applied. The whole system is integrated into a transparent PMMA-substrate. The design of an integrated Talbot interferometer for particle analysis is presented including a discussion of the tolerances that have to be met.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Integration opto-fluidischer Messsysteme zur Partikelkonzentrationsmessung und Partikelgrößenanalyse in fließenden Suspensionen aus Wasser und Teststaub. Die untersuchten polydispersen Teststäube gemäß der Norm ISO 12103-1 in den Körnungen fein, mittel und grob bestehen aus Partikeln mit Größen zwischen 0,5 und 150 µm und weisen unterschiedliche Partikelgrößenverteilungen auf. Durch die Bestimmung des Mittelwertes und der Standardabweichung des Streulichtes und der Transmission wird die Partikelmassekonzentration und der Sauterdurchmesser als mittlerer Durchmesser der Partikelgrößenverteilung ermittelt. Bei ansteigenden mittleren Partikelgrößen verringert sich bei gleicher Partikelmassekonzentration das Signal-Rausch-Verhältnis, da sich der größte Teil des Streulichtes mit dem Anregungslicht überlagert. Um dennoch das Streulicht zur Partikelanalyse heranziehen zu können, wird der Ansatz der Talbotinterferometrie untersucht. Basierend auf dem Modell der Fresnelbeugung wird ein analytischer Simulationsansatz vorgestellt, mit dem das zu erwartende Signal in der Selbstabbildungsebene eines Gitters in Abhängigkeit der Partikelposition im Probenvolumen und dem Verhältnis von Partiklegröße zur Gitterperiode untersucht wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis bei diesem Verfahren zeigt einen anderen Verlauf als bei der Streulicht- und Transmissionsmessung, so dass dieser Ansatz bei Partikelgrößen oberhalb von 10 µm und kurzen Messlängen von einigen hundert µm zu besseren Ergebnissen führt. Auf den theoretischen Überlegungen und verschiedenen Simulationsansätzen basierend erfolgt die Konzeption integrierter Messsysteme zur Partikelanalyse nach dem Ansatz der planar integrierten Freiraumoptik. Ein System, das sowohl die Transmission als auch das gestreute Licht misst, wird demonstriert. Es ermöglicht die Bestimmung der Partikelmassekonzentration und des Sauterdurchmessers der drei Teststäube mit einer Nachweisgrenze besser als 1 mg/l. Für eine optimale Integration werden planare Strahler-Empfänger-Baugruppen verwendet, die ein VCSEL bei 850 nm als Lichtquelle und monolithisch integrierte segmentierte Photodioden enthalten. Die Integration des Gesamtsystems erfolgt in transparenten PMMA-Substraten. Der Entwurf eines integrierten Talbotinterferometers zur Partikelanalyse wird vorgestellt und die einzuhaltenden Toleranzen werden diskutiert

Non-Esterified Plant Oils as Fuel-Engine Characteristics, Emissions and Mutagenic Effects of Particulate Matter

Pflanzenöle können einen gewissen Beitrag für eine erneuerbare, nahezu CO2-neutrale Kraftstoffversorgung leisten. Die nicht-veresterten Pflanzenöle haben im Gegensatz zu veresterten Ölen eine günstige Energie- und CO2-Bilanz. Deshalb werden hier die naturbelassenen, aber raffinierten Pflanzenöle auf ihre Eignung als Kraftstoff in Dieselmotoren und deren Emissionen detailliert untersucht. Versuche wurden mit drei verschiedenen Dieselmotoren durchgeführt.Plant oils may be used as a sustainable, nearly CO2 neutral fuel for diesel engines. This work investigates experimentally the particulate and gaseous emissions of diesel engines fuelled with non-esterified, pure plant oils with the quality standard of DIN V 51605 (Weihenstephan RK-Qualitätsstandard 05/2000). The data are collected from three engines: – Common rail passenger car engine from Opel AG – Truck engine from VOLVO – Truck engine from MAN A

Investigation of particle formation of electrospray flame pyrolysis using a scanning mobility particle sizer

Die elektrohydrodynamische Zerstäubung von flüssigen Präkursoren gekoppelt mit der Flammensprühpyrolyse erlaubt die Synthese von verschiedenartigen, metalloxidischen Nanopartikel. Ein Aufbau bestehend aus einem definiert verfahrbaren Brenner und einer Probennahme in der Flamme eröffnet dabei die Möglichkeit der Erfassung von Partikelgrößenverteilungen entlang der Flammenhöhe. Die Bildung von Eisenoxid- und Siliziumdioxid-Partikel in einer Flamme konnte so mithilfe eines 1nm-SMPS-Aufbaus (Scanning Mobility Particle Sizer) auch in den Frühstadien der Partikelbildung erfasst werden. Hierbei zeigte sich, dass auch für einfache Präkursorlösungen bei hinreichend kleinen Tropfen hochwertige, homogene Nanopulver erzeugt werden können.Electrospray of liquid precursor coupled to flame spray pyrolysis allows for the synthesis of many different metal oxide nanoparticles. A setup consisting of a moveable burner and a static sampling system gives the possibility of characterizing particle size distributions across and along the flame. The particle formation of iron oxide and silica particles in a flame spray was investigated even for early stages using a 1nm scanning mobility particle sizer. Thereby it was found that even for simple precursor solutions high quality nanopowders could be produced as long as the droplet size is sufficiently small