Mechanisms of Engine Blow-By Aerosol Formation and Resulting Strategies for their Reduction

Die Bildung von Blow-By-Aerosolen stellt eine Gefahr für den nachhaltigen Betrieb von Verbrennungsmotoren dar. Diese Aerosole tragen zu den Emissionen von Partikeln und gasförmigen Stoffen (z.B. Methanschlupf) bei, wenn ein offenes Kurbelgehäuseentlüftungssystem Verwendung findet. In Motoren mit geschlossener Kurbelgehäuseentlüftung bilden diese Aerosole Ablagerungen, die die Effizienz, Leistung und Zuverlässigkeit des Motors negativ beeinträchtigen. Um solche Probleme zu vermeiden, sind hoch effiziente Ölnebelfilter und innermotorische Reduktionsstrategien auf Basis eines quantitativen Verständnisses der Aerosolquellen und Bildungsmechanismen im Kurbelgehäuse entscheidend. Die genaue Messung von Partikelgrößenverteilungen (PGV) von Blow-By-Aerosolen ist jedoch aufgrund mehrerer Faktoren wie hohe Anzahlkonzentrationen, hohe Temperaturen, dem Vorhandensein von gesättigtem Dampf und instabilen Strömungsbedingungen, herausfordernd. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde eine umfassende Studie mit einem kommerziellen optischen Partikelzähler (OPC) durchgeführt. In dieser Studie wurde ein einstufiges (1:9) und ein zweistufiges (1:80) Probenahme-, Verdünnungs- und Konditionierungssystem entwickelt und charakterisiert, um ihre Wirksamkeit im OPC-Sensorbereich von 0.3 bis 17 µm zu bestimmen. Die Korrektur von Partikelverlusten, hauptsächlich aufgrund von Trägheit, war entscheidend für zuverlässige PGV-Messungen, wobei die Verluste bei 10 µm mehr als 90% betrugen. Der Einfluss von gesättigtem Öldampf auf das Tropfenwachstum während der Abkühlung und Verdünnung des Probenstroms wurde experimentell untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das Tropfenwachstum oberhalb von 100 °C signifikant ist, aber die Verdünnung des Probenstroms mit 20 °C Luft im Verhältnis von 1:20 das Wachstum unterdrückt. Tests mit Motor-Blow-By-Aerosolen unter Verwendung der erarbeiteten Probenahme- und Verdünnungsstrategie zeigten eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und gute Übereinstimmung (nach Verlustkorrekturen) mit Referenzdaten bezüglich der PGV im Bereich von 0.3 bis 10 µm und der Gesamtmasse. Die tatsächliche Blow-By-PGV am Motor war jedoch breiter und übertraf den Messbereich des OPC auf beiden Seiten. Die Umrechnung von OPC-Daten von der Partikelanzahl in die Masse unterschätzte die Gesamtmasse um 10% bis 20% im Vergleich zu gewogenen Filterproben, es sei denn, eine Kontamination des OPC durch Ölablagerungen wurde vermieden. Ein Neukalibrierungsverfahren wurde erarbeitet, um Messartefakte durch Druckpulsationen beim Betrieb des Motors zu verhindern. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurde eine umfassende Studie mit demselben OPC an einem 4-Zylinder-5.1-Liter-Dieselmotor durchgeführt. Der Einfluss der Öltemperatur, der Motorlast und der Motordrehzahl auf die Eigenschaften der Blow-By-Aerosole wurde untersucht. Eine Erhöhung der Motorlast bei 1200 U/min von 0 auf 880 Nm bei einer variablen Öltemperatur von bis zu 117 °C führte zu einer 64% höheren Konzentration von Partikeln kleiner als 1.2 µm. Bei einer konstanten Öltemperatur von 93 °C führte derselbe Test zu einer 50% höheren Konzentration. Eine Verringerung der Öltemperatur auf 48 °C verhinderte nahezu vollständig die Bildung von submikronen Partikeln. Bei Erhöhung der Motordrehzahl von 1400 auf 2400 U/min stieg die Konzentration unter 2.7 µm signifikant an. Sowohl die Erhöhung der Motorlast als auch die Erhöhung der Motordrehzahl führten zu einer Zunahme des Blow-By-Volumenstroms und somit zu mehr Aerosolemissionen aus dem Kurbelgehäuse. Um den Beitrag des Turboladers zum Aerosolausstoß zu bestimmen, wurden Experimente durchgeführt, indem der Turbolader gekoppelt oder entkoppelt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Turbolader eine vernachlässigbare Aerosolquelle bei nomineller Motorleistung ist, aber bis zu 30% zum Blow-By-Gasvolumenstrom beiträgt. Der Ort der Blow-By-Aerosolquellen im Motor wurde durch Variation der OPC-Probenahmestellen und das Einbringen von Verdünnungsluft in verschiedene Bereiche des Kurbelgehäuses bestimmt. Es stellte sich heraus, dass der untere Kurbelgehäusebereich die Hauptquelle für submikrone Aerosole ist. Das Einbringen von Luft in diesem Bereich führte dazu, dass Partikeln durch die Steigrohre in den oberen Kurbelgehäusebereich gespült wurden. Dies führte nicht zur Verdünnung des Aerosols, sondern der Massenstrom erhöhten sich proportional zum Verdünnungsfaktor. Die Analyse der Abscheideeigenschaften der Steigrohre zeigte sehr geringe Effizienzen von weniger als 10% bei 10 µm, wodurch die meisten Partikeln <10 µm ungehindert durch die Rohre hindurchtraten. Der obere Teil des Kurbelgehäuses erwies sich als Quelle von Partikeln größer als 2.7 µm und sogar größer als 10 µm. Diese Partikeln wurden von einem direkt in die Ventilabdeckung integrierten Filter erfasst. Informationen über den Beitrag einzelner Aerosolquellen im unteren Kurbelgehäusebereich wurden unter definierten Bedingungen an einem 1.3-Liter-Einzylinder-Motor im Größenbereich von 0.01 bis 10 µm gewonnen. Die Bildung von supermikronen Partikeln im Kurbelgehäuse wurde hauptsächlich dem Zerfall des Kühlstrahls zugeschrieben, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreichte. Umgekehrt nahm die Aerosolerzeugung beim unteren Totpunkt aufgrund des kürzeren und stabileren Ölstrahls um etwa 90% ab. Der geschleppte Betrieb des Motors führte zu einem zusätzlichen Peak bei etwa 0.7 µm, der mit der Ölzerstäubung an den Kolbenringen zusammenhängt und mit dem Zylinder-Spitzen¬druck signifikant ansteigt. Es wurde kein signifikanter Beitrag von Lagern bei Spitzen¬drücken unter 116 bar identifiziert, und die Motordrehzahl hatte nur einen geringen Einfluss auf die Aerosoleigenschaften. Der befeuerte Betrieb des Motors erhöhte die Konzentration von submikronen Aerosolen erheblich, vermutlich aufgrund höherer Spitzen¬drücke, die die Aerosolerzeugung an den Kolbenringen förderten und zusätzliche Partikeln aus rekondensierendem Öldampf bildeten, der an heißen Stellen entstand. Ruß- oder Ascheaerosole wurden im Kurbelgehäuseaerosol nicht nachgewiesen, möglicherweise weil sie in das flüssige Öl eingetragen wurden. Die Nukleation und das Wachstum durch Dampfkondensation, mit und ohne vorhandenen Keimen, wurde als relevanter Bildungsmechanismus von Kurbelgehäuseaerosolen erkannt und sowohl experimentell als auch durch eindimensionale Simulationen unter motorähnlichen Bedingungen untersucht. Dabei wurde sowohl Motoröl als auch Hexadecan zu Modellbildungszwecken verwendet. Eine Luftatmosphäre wurde bei Temperaturen von 100 °C bis 130 °C gesättigt, und die Abkühlung erfolgte in laminarem Rohrfluss mit kontrollierter Rate. Nukleation und Wachstum von vorhandenen Keimen führten zu separaten Moden bei etwa 0.25 ± 0.1 µm und 0.7 ± 0.2 µm, die eng mit tatsächlichen Motordaten übereinstimmten. Die Position des letzteren Peaks war relativ unempfindlich gegenüber der Größe der primären Keime im Bereich von 0.04 bis 0.2 µm. Eine Erhöhung der Dampfkonzentration (durch leicht flüchtigeres Öl oder höhere Temperatur) oder eine Verringerung der Abkühlrate vergrößerten die Nukleationspeaks leicht (0.15 µm bis 0.35 µm), reduzierten aber die Spitzenkonzentrationen signifikant um den Faktor 10. Dieses Ergebnis lässt sich durch Veränderungen der Übersättigung während der Abkühlung erklären. Sowohl im Experiment als auch in der Simulation wurde gezeigt, dass homogene Nukleation bei Fremdkeimkonzentrationen kleiner 2x105 bis 5x105 cm–3 und Motoröltemperaturen von 100 °C oder höher auftritt. Dampfverluste an Systemwänden während der Abkühlung stellten sich sowohl in realen Motoren als auch im Labor als bedeutender Faktor heraus und muss für realistische Simulationen berücksichtigt werden, da sie die tatsächlichen Partikelkonzentrationen stärker beeinflussen als die Peak-Position. Effektive innermotorische Strategien zur Reduzierung von Blow-By-Aerosolen wurden entwickelt. Sie beinhalten die Optimierung des Kolbenringdesigns, da sie als Hauptverursacher von submikronen Kurbelgehäuseaerosolen identifiziert wurden. Die Minimierung des Blow-By-Gasstroms an den Kolbenringen ist entscheidend für eine effektive Reduzierung der Emissionen. Zusätzlich ist die Verringerung des effektiven Mitteldrucks des Motors vorteilhaft, da Kurbelgehäuseemissionen exponentiell mit dem effektiven Mitteldruck ansteigen. Eine vielversprechendere Methode ist die Verbesserung der Kolbenkühlung, insbesondere durch die Reduzierung der Öltemperatur des Kühlstrahls. Konkret führte die Verringerung der Öltemperatur des Kühlstrahls an einem Einzylinder-Dieselmotor von 80 °C auf 50 °C zu einer 33%igen Reduzierung der Massenemissionen in der 0.7 µm Mode. Eine Reduktion der Öltemperatur an einem Vierzylinder-Dieselmotor von 93 °C auf etwa 70 °C führte zu einer 50%igen Abnahme der Partikelmasseemissionen kleiner als 1 µm. Auch dem Beitrag der Ölkühldüse, der durch die Bildung von Satellitentröpfchen während des Zerfalls des Ölstrahls eine Mode um 2 µm erzeugt, kann entgegengewirkt werden. Die Verbesserung der Strahlstabilität durch Verringerung des Abstands zwischen Düse und Kolben hilft, den Einfluss dieser Quelle zu minimieren. Hinsichtlich des Turboladers wurde festgestellt, dass sein Beitrag zur Aerosolmasse weniger als 20% beträgt, jedoch bis zu 30% des Blow-by-Gasstroms ausmacht. Das Einleiten dieses Gasstroms im unteren Bereich des Kurbelgehäuses verdünnte nicht das Blow-By-Aerosol, sondern spült zusätzliche Partikeln heraus. Es ist vorteilhaft, Gase vom Turbolader oder anderen Quellen in den oberen Bereich des Kurbelgehäuses zu leiten, da dies zur erwarteten Verdünnung des Blow-By-Aerosols führte. Diese Methode erfordert jedoch, dass der Eingang der Entlüftung im oberen Bereich des Kurbelgehäuses liegt. Die Arbeit hebt die gesättigte Umgebung des Kurbelgehäuses hervor, die eine erhebliche Menge an Öldampf enthält. Bei Kurbelgehäusetemperaturen von etwa 120 °C führt die Kondensation dieses Dampfes während des Abkühlens wesentlich zu einer Erhöhung der Aerosolmasse bestehender Keime und möglicherweise auch zur Bildung neuer Partikeln. Daher spielen niedrigere Öltemperaturen und weniger heiße Stellen im Motor eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Konzentration von Kurbelgehäuseaerosolen. Der Einfluss von weniger flüchtigen Motorölen ist weniger eindeutig, da ein höherer Dampfdruck zu weniger, jedoch größeren Tropfen durch die Keimbildung und das Wachstum bestehender Aerosole führt. Größere Tropfen lassen sich leichter mit den meisten Abscheidevorrichtungen entfernen. Niedrigere Kühlraten sind aus ähnlichen Gründen vorteilhaft, jedoch lassen sie sich in der Motorumgebung nur schwer kontrollieren

Innovationen – Performancetreiber und nachhaltiger Wirtschaftsmotor in Deutschland? Festschrift zum 5. Würzburger Wirtschaftssymposium

5. Würzburger Wirtschaftssymposium, 20.11.2008 Deutsche Erfindungen verändern die Welt - heute wie vor 500 Jahren. Von Buchdruck, über Dieselmotor, Glühbirne bis hin zu Airbag, Aspirin, Dübel, Fernseher und mp3-Format. Alleine dieser bescheidene Überblick des Phänomens “Made in Germany” lässt den Betrachter die Bedeutung und das Potenzial von Innovationen am Standort Deutschland schnell erkennen. Experten aus Wirtschaft, Politik und Gesellschaft setzten sich am 20.11.2008 unter der Leitfrage: “Innovationen – Performancetreiber und nachhaltiger Wirtschaftsmotor in Deutschland?” mit der Bedeutung von Innovationen für den Standort Deutschland auseinander. Die Festschrift rundet - neben Interviews mit und Gastbeiträgen von Referenten der Veranstaltung - das 5. Würzburger Wirtschaftssymposium mit Stellungnahmen und Beiträgen renommierter Experten ab. Zu Wort kommen dabei Jungunternehmer ebenso wie Wissenschaftler der Universität Würzburg und Vertreter externer Organisationen

Test of lepton flavour universality with Bs0→ϕℓ+ℓ−B_s^0 \rightarrow \phi \ell^+\ell^- decays

International audienceLepton flavour universality in rare $b\rightarrow s$ transitions is tested for the first time using $B_s^0$ meson decays. The measurements are performed using $pp$ collision data collected by the LHCb experiment between 2011 and 2018, corresponding to a total integrated luminosity of 9$\,{\rm fb}^{-1}$. Branching fraction ratios between the $B_s^0 \rightarrow \phi e^+e^-$ and $B_s^0 \rightarrow \phi \mu^+\mu^-$ decays are measured in three regions of dilepton mass squared, $q^2$, with $0.1 < q^2 < 1.1$, $1.1 < q^2 < 6.0$, and $15 < q^2 < 19\,{\rm GeV}^2/c^4$. The results agree with the Standard Model expectation of lepton flavour universality

Test of lepton flavour universality with Bs0→ϕℓ+ℓ−B_s^0 \rightarrow \phi \ell^+\ell^- decays

International audienceLepton flavour universality in rare $b\rightarrow s$ transitions is tested for the first time using $B_s^0$ meson decays. The measurements are performed using $pp$ collision data collected by the LHCb experiment between 2011 and 2018, corresponding to a total integrated luminosity of 9$\,{\rm fb}^{-1}$. Branching fraction ratios between the $B_s^0 \rightarrow \phi e^+e^-$ and $B_s^0 \rightarrow \phi \mu^+\mu^-$ decays are measured in three regions of dilepton mass squared, $q^2$, with $0.1 < q^2 < 1.1$, $1.1 < q^2 < 6.0$, and $15 < q^2 < 19\,{\rm GeV}^2/c^4$. The results agree with the Standard Model expectation of lepton flavour universality

Test of lepton flavour universality with Bs0→ϕℓ+ℓ−B_s^0 \rightarrow \phi \ell^+\ell^- decays

International audienceLepton flavour universality in rare $b\rightarrow s$ transitions is tested for the first time using $B_s^0$ meson decays. The measurements are performed using $pp$ collision data collected by the LHCb experiment between 2011 and 2018, corresponding to a total integrated luminosity of 9$\,{\rm fb}^{-1}$. Branching fraction ratios between the $B_s^0 \rightarrow \phi e^+e^-$ and $B_s^0 \rightarrow \phi \mu^+\mu^-$ decays are measured in three regions of dilepton mass squared, $q^2$, with $0.1 < q^2 < 1.1$, $1.1 < q^2 < 6.0$, and $15 < q^2 < 19\,{\rm GeV}^2/c^4$. The results agree with the Standard Model expectation of lepton flavour universality

Test of lepton flavour universality with Bs0→ϕℓ+ℓ−B_s^0 \rightarrow \phi \ell^+\ell^- decays

International audienceLepton flavour universality in rare $b\rightarrow s$ transitions is tested for the first time using $B_s^0$ meson decays. The measurements are performed using $pp$ collision data collected by the LHCb experiment between 2011 and 2018, corresponding to a total integrated luminosity of 9$\,{\rm fb}^{-1}$. Branching fraction ratios between the $B_s^0 \rightarrow \phi e^+e^-$ and $B_s^0 \rightarrow \phi \mu^+\mu^-$ decays are measured in three regions of dilepton mass squared, $q^2$, with $0.1 < q^2 < 1.1$, $1.1 < q^2 < 6.0$, and $15 < q^2 < 19\,{\rm GeV}^2/c^4$. The results agree with the Standard Model expectation of lepton flavour universality

Test of lepton flavour universality with Bs0→ϕℓ+ℓ−B_s^0 \rightarrow \phi \ell^+\ell^- decays

International audienceLepton flavour universality in rare $b\rightarrow s$ transitions is tested for the first time using $B_s^0$ meson decays. The measurements are performed using $pp$ collision data collected by the LHCb experiment between 2011 and 2018, corresponding to a total integrated luminosity of 9$\,{\rm fb}^{-1}$. Branching fraction ratios between the $B_s^0 \rightarrow \phi e^+e^-$ and $B_s^0 \rightarrow \phi \mu^+\mu^-$ decays are measured in three regions of dilepton mass squared, $q^2$, with $0.1 < q^2 < 1.1$, $1.1 < q^2 < 6.0$, and $15 < q^2 < 19\,{\rm GeV}^2/c^4$. The results agree with the Standard Model expectation of lepton flavour universality