Advertisement

Schadstoffbildung

  • Peter Eckert
  • Sebastian Rakowski
Chapter
Part of the ATZ/MTZ-Fachbuch book series (ATZMTZ)

Zusammenfassung

Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C‐ und H‐Atomen bestehenden, sogenannten C x H y ‐Brennstoffes enthält das Abgas die Komponenten Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Bei der realen Verbrennung treten zusätzlich zu diesen Bestandteilen auch die Produkte der unvollständigen Verbrennung Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie die unerwünschten Nebenprodukte Stickoxide (NOx) und Partikel auf. Im Gegensatz zu den durch den Gesetzgeber limitierten Abgaskomponenten wird das CO2 nicht als Schadstoff angesehen, da es keine direkte Gefahr für die Gesundheit des Menschen darstellt und als Endprodukt jeder vollständigen Oxidation eines Kohlenwasserstoffs auftritt. Im Folgenden werden die Entstehungsmechanismen der oben genannten Schadstoffe beschrieben sowie inner‑ und nachmotorische Methoden zur Reduktion dieser Stoffe dargestellt.

Literatur

  1. Adolph, D., Lamping, M., Körfer, T., Kolbeck, A.: Variabler Ventiltrieb beim DI-Diesel – Eine neue Funktionalität zur gezielten Steuerung der Ladungsbewegung. In: Variable Ventilsteuerung: Technische Konzepte variabler Ventiltriebe zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen, S. 261–277. Haus der Technik, Aachen (2009)Google Scholar
  2. Amnéus, P., Mauß, F., Kraft, M., Vressner, A., Johansson, B.: SAE Paper 2005-01-0126. (2005)Google Scholar
  3. Appel, J., Bockhorn, H., Wulkow, M.: A detailed numerical study of the evolution of soot particle size distributions in laminar premixed flames. Chemosphere 42, 635–645 (2001)CrossRefGoogle Scholar
  4. van Basshuysen, R. (Hrsg.): Ottomotor mit Direkteinspritzung: Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial, 2. Aufl. Vieweg+Teubner, Wiesbaden (2008)Google Scholar
  5. Baulch, D.L., Cobos, C.J., Cox, A.M., Frank, P., Haymann, G., Just, T., Kerr, J.A., Murrels, T., Pilling, M.J., Twe, J., Walker, R.W., Warnatz, J.: Evaluated kinetic data for combustion modeling. J. Phys. Chem. Ref. Data 22(Supplement I), 847 (1994)CrossRefGoogle Scholar
  6. Belardini, P., Bertori, C., Del Cameretti, M.C., Del Giacomo, N.: A coupled diesel combustion and sod formation model for KIVA II code: characteristics and experimental validation. Int Symp Comodia A94, 315–323 (1994)Google Scholar
  7. Besio, G., Nobile, M.: A challenging fuel for diesel engines: orimulsion, from the concept to the application. CIMAC Congress, Hamburg. VDI Verlag, Düsseldorf (2001)Google Scholar
  8. Bockhorn, H.: A short introduction to the problem – structure of the following parts. In: Bockhorn, H. (Hrsg.) Soot formation in combustion. Springer, Berlin, Heidelberg, New York (1994)CrossRefGoogle Scholar
  9. Borrmeister, J., Hübner, W.: Einfluss der Brennraumform auf die HC-Emissionen und den Verbrennungsablauf. MTZ 58, 408–414 (1997)Google Scholar
  10. Bozelli, J.W., Dean, A.M.: O + NNH: a possible new route for NOx formation in flames. Int. J. Chem. Kin. 27(11), 1097 (1995)CrossRefGoogle Scholar
  11. Bühler, U.: Prüfstandsuntersuchungen zur Dioxin-Emission von Verbrennungsmotoren. Dissertation. Universität Stuttgart (1995)Google Scholar
  12. Bühler, U., Essers, U., Greiner, R.: Dioxin-Emission des Straßenverkehrs. MTZ 58, 422–425 (1997)Google Scholar
  13. Cheng, W.K., Hamrin, D., Heywood, J.B., Hochgreb, S., Min, K., Norris, M.: An overview of hydrocarbon emissions mechanisms in spark-ignition engines. SAE Paper 932708. (1993)CrossRefGoogle Scholar
  14. Cui, Q., Morokuma, K., Bowman, J.M., Klippenstein, S.J.: The spin-forbidden reaction CH(2Π) + N2 → HCN + N(4S) revisited. II. Nonadiabatic transition state theory and application. J. Chem. Phys. 110(19), 9469–9482 (1999)CrossRefGoogle Scholar
  15. Eckert, P.: Numerical and experimental investigation of water introduction into DI diesel engine combustion TH Bd. 3. Logos (2008). Dissertation. Universität KarlsruheGoogle Scholar
  16. Eng, J.A.: The effect of spark retard on engine-out hydrocarbon emissions. SAE Paper 3867. (2005)CrossRefGoogle Scholar
  17. Federal Register, U.S.: Greenhouse gas emissions and fuel efficiency standards for medium- and heavy-duty engines and vehicles-phase 2. 81 FR 73478. (2016)Google Scholar
  18. Fenimore, C.P.: Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames. 13th Int. Symp. Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh, S. 373–380 (1971)Google Scholar
  19. Frenklach, M.: Method of moments with interpolative closure. Chem. Eng. Sci. 57, 2229–2239 (2002)CrossRefGoogle Scholar
  20. Frenklach, M., Wang, H.: Detailed mechanism and modeling of soot particle formation. In: Bockhorn, H. (Hrsg.) Soot formation in combustion. Springer, Berlin, Heidelberg (1994)Google Scholar
  21. Fusco, A., Knox-Kelecy, A.L., Foster, D.E.: Application of a phenomenological soot model to diesel engine combustion. Int. Symp. COMODIA 94., S. 571–576 (1994)Google Scholar
  22. Glarborg, P., Alzueta, M.U., Dam-Johansen, K., Miller, J.A.: Kinetic modeling of hydrocarbon/nitric oxide interactions in a flow reactor. Combust Flame 115, 1–27 (1998)CrossRefGoogle Scholar
  23. Goel, S., Agarwal, D.: Carbon Dioxide. In: Encyclopedia of Toxicology, 3. Aufl., S. 675–677. (2014)CrossRefGoogle Scholar
  24. GRI-MECH 3.0: www.me.berkely.edu/gri_mech (2000)
  25. Heywood, J.B.: Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill, New York (1988)Google Scholar
  26. Hill, P.G., McTaggert-Cowan, G.P.: Nitrogen oxide production in a diesel engine fueled by natural gas. SAE Paper 2005-01-1727. (2005)CrossRefGoogle Scholar
  27. Hiroyasu, H., Kadota, T., Arai, M.: Supplementary comments: fuel spray characterization in diesel engines. In: Combustion modelling in reciprocating engines, S. 369–408. (1980)CrossRefGoogle Scholar
  28. Johnson, T.V.: Diesel emission control highlights of the annual Society of Automotive Engineers (SAE) international congress. Verweis auf Laroo, C.A. (unveröffentlicht). Platinum Metals Rev 54(4), 216–222 (2010)Google Scholar
  29. Kazakow, A., Foster, D.E.: Modeling of soot formation during DI diesel combustion using a multi-step phenomenological soot model. SAE Paper 982463. (1998)CrossRefGoogle Scholar
  30. Kittelson, D.B.: Engines and nanoparticles. A review. J. Aerosol. Sci. 29, 575–588 (1998)CrossRefGoogle Scholar
  31. Konnov, A.A.: On the relative importance of different routes forming NO in hydrogen flames. Combust. Flame 134, 421–424 (2003)CrossRefGoogle Scholar
  32. Konnov, A.A., Colson, G., De Ruyck, J.: NO formation rates for hydrogen combustion in stirred reactors. Fuel 80(1), 49–65 (2001)CrossRefGoogle Scholar
  33. Kweon, C.-B., Foster, D.E., Schauer, J.J., Okada, S.: Detailed chemical composition and particle size assessment of diesel engine exhaust. SAE Paper 2002-01-2670. (2002)CrossRefGoogle Scholar
  34. Ladommatos, N., Abdelhalim, S.M., Zhao, H., Hu, Z.: The dilution, chemical and thermal effects of exhaust gas recirculation on diesel engine emissions – part 4: effects of carbon dioxide and water vapour. SAE Paper 971660. (1997)Google Scholar
  35. Lange, J.: Bestimmung der Carbonylverbindungen im Abgas von schwerölbetriebenen Dieselmotoren. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 15, Bd. 161. VDI, Düsseldorf (1996)Google Scholar
  36. Lavoie, G.A., Heywood, J.B., Keck, J.C.: Experimental and theoretical investigation of nitric oxide formation in internal combustion engines. Combust Sci Technol 1, 313–326 (1970)CrossRefGoogle Scholar
  37. Liu, Y., Amr, A., Reitz, R.D.: Simulation of effects of valve pockets and internal residual gas distribution on HSDI diesel combustion and emissions. SAE Paper 2004-01-0105. (2004)CrossRefGoogle Scholar
  38. Liu, Z.G., Ottinger, N.A., Wall, J.C., Barge, P.: Measurement of dioxin and Furan emissions during transient and multi-mode engine operation. SAE Paper 2011-01-1158. (2011)Google Scholar
  39. Marohn, R., Rakowski, S., Seebode, J., Brauer, M.: Einspritzdruckbedarf für zukünftige dieselmotorische Pkw und Nkw Brennverfahren (2008). Haus der Technik: Diesel- und BenzindirekteinspritzungGoogle Scholar
  40. Mathis, U., Mohr, M., Kaegi, R., Bertola, A., Boulouchos, K.: Influence of diesel engine combustion parameters on primary soot particle diameter. Environ Sci Technol 39(5), 1887–1892 (2005)CrossRefGoogle Scholar
  41. Mauß, F.: Entwicklung eines kinetischen Modells der Rußbildung mit schneller Polymerisation. Dissertation. RWTH Aachen (1997)Google Scholar
  42. McEnally, C.S., Ciuparu, D.M., Pfefferle, L.D.: Experimental study of fuel decomposition and hydrocarbon growth processes for practical fuel components: heptanes. Combust. Flame 134, 339–359 (2003)CrossRefGoogle Scholar
  43. McEnally, C.S., Pfefferle, L.D., Atakan, B., Kohse-Höinghaus, K.: Studies of aromatic hydrocarbon formation mechanisms in flames: progress towards closing the fuel gap. Prog. Energy Combust. Sci. 32, 247–294 (2006)CrossRefGoogle Scholar
  44. Miller, J.A., Bowman, C.T.: Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion. Prog. Energy Combust. Sci. 15, 287–338 (1989)CrossRefGoogle Scholar
  45. Mosbach, S., Celnik, M.S., Raj, A., Kraft, M., Zhang, H.R., Kubo, S., Kim, K.-O.: Towards a detailed soot model for internal combustion engines. Combust. Flame 156, 6 (2009)CrossRefGoogle Scholar
  46. Moskaleva, L.V., Xia, W.S., Lin, M.C.: The CH+N2 reaction over the ground electronic doublet potential energy surface: a detailed transition state search. Chem. Phys. Let. 331, 269–277 (2000)CrossRefGoogle Scholar
  47. Musculus, M.P.B., Dec, J.E., Tree, D.R., Daly, D., Langer, D., Ryan, T.W., Matheaus, A.C.: Effects of water-fuel emulsion on spray and combustion processes in a heavy-duty DI diesel engine. SAE Paper 2002-01-2892. (2002)CrossRefGoogle Scholar
  48. N.N.: 2. Dioxinbericht des Landes Sachsen-Anhalt – Fortschreibung des Berichts von 1996. Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt, Halle (Saale) (2011)Google Scholar
  49. Nagle, J., Strickland-Constable, R.F.: Oxidation of Carbon between 1000–2000 °C. Proc. 5th Conf. on Carbon 1., S. 154–164 (1962)Google Scholar
  50. Neoh, K.G.: Soot Burnout in Flames. Ph.D. thesis. MIT (1976)Google Scholar
  51. Netzell, K., Lehtiniemi, H., Mauss, F.: Calculating the soot particle size distribution function in turbulent diffusion flames using a sectional method. Proc Combust Inst 31, 667–674 (2007)CrossRefGoogle Scholar
  52. Nishida, K., Hiroyasu, H.: Simplified three-dimensional modeling of mixture formation and combustion in a DI diesel engine. SAE Paper 890269. (1989)Google Scholar
  53. Pattas, K.: Stickoxidbildung bei der ottomotorischen Verbrennung. MTZ 34, 397–404 (1973)Google Scholar
  54. Pischinger, F., Schulte, H., Hansen, J.: Grundlagen und Entwicklungslinien der Dieselmotorischen Brennverfahren. VDI Berichte, Bd. Nr. 714. VDI Verlag, Düsseldorf (1988)Google Scholar
  55. Schutting, E., Neureiter, A., Fuchs, C., Schatzberger, T., Klell, M., Eichlseder, H., Kammerdiener, T.: Miller- und Atkinson-Zyklus am aufgeladenen Dieselmotor. MTZ 2007(6), 480 (2007)Google Scholar
  56. Seebode, J., Stegemann, J., Sommer, A., Stölting, E., Buschmann, G.: Höchstdruckeinspritzung und Einspritzverlaufsformung am Nfz-Einzylindermotor. 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik. (2006)Google Scholar
  57. von Smoluchowski, M.Z.: Versuch einer mathematischen Theorie der Koagulationskinetik kolloider Lösungen. Z. Phys. Chem. 92(2), 129–268 (1917)Google Scholar
  58. Stiesch, G.: Modeling engine spray and combustion processes. Springer, Berlin Heidelberg New York (2003)CrossRefGoogle Scholar
  59. Stumpf, M.: Einfluss motorischer Betriebsparameter auf die Eigenschaften von Rußpartikeln und deren messtechnische Erfassung. Logos, Berlin (2008). Dissertation, Technische Universität KarlsruheGoogle Scholar
  60. Sutton, J.A., Fleming, J.W.: Towards accurate kinetic modelling of prompt NO formation in hydrocarbon flames via the NCN pathway. Combust. Flame 154, 630–636 (2008)CrossRefGoogle Scholar
  61. Sutton, J.A., Williams, B.A., Fleming, J.W.: Laser-induced fluorescence measurements of NCN in low-pressure CH4/O2/N2 flames and its role in prompt NO formation. Combust. Flame 153, 465–478 (2008)CrossRefGoogle Scholar
  62. Tao, F., Liu, Y., Rempel, E.B.H., Foster, D.E., Reitz, R.D., Choi, D., Miles, P.C.: Modeling the effects of EGR and injection pressure on soot formation in a high-speed direct-injection (HSDI) diesel engine using a multi-step phenomenological soot model. SAE Paper 2005-01-0121. (2005)CrossRefGoogle Scholar
  63. Tao, F., Reitz, R.D., Foster, D.E., Liu, Y.: Nine-step phenomenological diesel soot model validated over a wide range of engine conditions. Int. J. Therm. Sci. 48(6), 1223–1334 (2009)CrossRefGoogle Scholar
  64. Upatnieks, A., Mueller, C.J., Martin, G.C.: The influence of charge-gas dilution and temperature on DI diesel combustion processes using a short-ignition-delay, oxygenated fuel. SAE Paper 2005-01-2088. (2005)CrossRefGoogle Scholar
  65. Vishwanathan, G., Reitz, R.D.: Modeling soot formation using reduced polycyclic aromatic hydrocarbon chemistry in n-heptane lifted flames with application to low temperature combustion. J. Eng. Gas Turbines Power 131(3), 032801.1–032801.7 (2009)CrossRefGoogle Scholar
  66. Warnatz, J., Maas, U., Dibble, R.W.: Verbrennung: Physikalisch-Chemische Grundlagen, Modellierung und Simulation, Experimente, Schadstoffentstehung. Springer, Heidelberg (1997)CrossRefGoogle Scholar
  67. Westbrook, C.K., Dryer, F.L.: Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion. Prog. Energy Combust. Sci. 10, 1–57 (1984)CrossRefGoogle Scholar
  68. Zeldovich, Y.B.: The oxidation of nitrogen in combustion and explosions. Acta Physicochim. USSR 21, 577–628 (1946)Google Scholar

Copyright information

© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  • Peter Eckert
    • 1
  • Sebastian Rakowski
    • 2
  1. 1.MAN Diesel & Turbo SENürnbergDeutschland
  2. 2.IAV GmbHBerlinDeutschland

Personalised recommendations