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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-144328
URL: http://opus.uni-lueneburg.de/opus/volltexte/2017/14432/


Untersuchungen von organischen Ablagerungen im Hochdruck-Abgasrückführungssystem eines Turbo-Dieselmotors

Investigations of organic deposits in a high-pressure exhaust gas recirculation System of a turbocharged diesel engine

Grathwol, Jan-Kirsten

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SWD-Schlagwörter: Abgasrückführung , Ablagerung , Polymerisation , Polycyclische Aromaten , Pyrolyse
Freie Schlagwörter (Englisch): Exhaust gas recirculation , organic deposits , polymerisation , polycyclic aromatic hydrocarbons , pyrolysis
Institut: Nachhaltigkeitsmgmt./-ökologie
DDC-Sachgruppe: Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Ruck, Wolfgang (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.02.2017
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 20.03.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Die Senkung der Abgasemissionen von Dieselmotoren ist ein zentraler Bestandteil der Motoren-Entwicklung. Die positive Beeinflussung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Zum einen werden durch die Optimierung der innermotorischen Verbrennung die Abgasbestandteile gesenkt. Zum anderen kann mit Hilfe von Abgasnachbehandlungs-systemen der Ausstoß von umweltschädlichen und toxikologischen Abgasbestandteilen minimiert werden. Die Rückführung von Abgas in den Frischluft-Massenstrom (Abgasrückführung, AGR) ist eine konstruktive Maßnahme zur Reduktion von Stickstoffoxid-Emissionen bei Dieselmotoren. Bei diesen Abgasrückführungs-Systemen ist das AGR-Ventil ein zentraler Bestandteil und wird häufig mit einem Kühler kombiniert. Je nach Abgaskonzept des Motors werden Hoch- oder Niederdruck-Abgasrückführung - d.h. das Abgas wird vor oder nach dem Abgasturbolader entnommen - oder eine Kombination aus beiden System eingesetzt.
In der vorliegenden Arbeit werden die Wechselwirkungen und Einflüsse von Ablagerungen in Turbo-aufgeladenen Dieselmotoren betrachtet. Der Schwerpunkt der Untersuchungen wird auf das Teilgebiet dieser Ablagerungen im Hochdruck-AGR-System gelegt, da der zu untersuchende Volkswagen Motor in Fahrzeugen zur Einhaltung der Abgasemissionsstufe Euro 5 mit einer wassergekühlten Hochdruck-AGR und einem Abgasnachbehandlungssystem ausgerüstet ist.
Das Abgas der Hochdruck-AGR wird direkt vor dem Abgasturbolader entnommen und wieder der Frischluft-Ansaugstrecke zugeführt. Das entnommene Abgas wird dabei nicht durch Abgasnachbehandlungs-Systeme gereinigt, sondern alle Abgasbestandteile werden über den Kühler und über das Ventil geführt. Dabei kann es zu Verschmutzungen kommen, die potentiell die Kühlleistung, sowie die zurück geführte Abgasmasse und das Brennverfahren beinträchtigen könnten. Im Laufe der Arbeit wird die Arbeitsweise der genannten Abgasrückführung und der verschiedenen Brennverfahren im Dieselmotor eingehend beschrieben.
In der vorliegenden Dissertation werden drei Aspekte der genannten Verschmutzungen bzw. Ablagerungen im AGR-System näher untersucht.
Erster Aspekt: Zunächst werden die physikalischen und chemischen Ablagerungs-mechanismen aufgezeigt, die zu Verschmutzungen bzw. zu Ablagerungen in AGR-Systemen führen können.

Zweiter Aspekt: Die Ablagerungen wurden hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung untersucht. Es konnte dabei festgestellt werden, dass die gefundenen Ablagerungen vollständig organisch-chemischer Natur sind und zum größten Teil aus Dieselruß, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, unverbranntem Kraftstoff, sowie diversen polymeren Strukturen bestehen. Letztere werden in situ durch die vorherrschenden Temperaturen und vorliegenden Molekül-Kombinationen dargestellt.
Dritter Aspekt: Die Einfluss-Faktoren und der Mechanismus der Ablagerungsbildung werden beschrieben und in Motor-Funktionsprüfstand- und in Labor-Versuchen nachgestellt. Insbesondere der Einfluss von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und der Aufbau von organischen Polymeren auf Basis von Phenol-Aldehyd-Harzen, als auch Netzwerk Bildungsmechanismen mit Biodiesel-Molekülen und Veresterungs-Reaktionen haben sich als signifikante Mechanismen herausgestellt. Darüber hinaus kann ein starker Einfluss der Abgas- und Kühler-Temperaturen nachgewiesen werden. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser-Temperatur und Abgas-Temperatur ist, desto besser werden die chemischen Komponenten auf der Kühler-Oberfläche abgeschieden. Zusätzlich verstärken Abgas-Temperaturen bis zu 800 Grad C die Pyrolyse-Reaktionen und damit die Bildung von Netzwerken aus polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen. In Verbindung mit anschließenden Abkühlphasen werden die kondensierten Abgas-Bestandteile abgekühlt und der Status einer Netzwerk-Bildungs-Reaktion ´eingefroren´. In Zusammenspiel mit Dieselruß-Partikeln wird eine Oberfläche geschaffen, die weitere Abgas-Komponenten aufzunehmen vermag. Die sich daran anschließenden Hoch-Temperatur-Phasen pyrolysieren das organische Material und erzeugen damit eine feste und festhaftende Oberfläche bzw. Isolationsschicht. Die im Abgas enthaltene Wärme kann nicht mehr über den Wärmetauscher abgeführt werden und die Pyrolyse-Reaktionen werden durch steigende Temperaturen an der Oberfläche verstärkt. Die Ablagerungsbildung katalysiert sich selbst.
Kurzfassung auf Englisch: Lowering the exhaust gas emissions of diesel combustion engines is one of the main goals of engine development. This improvement can be achieved in several ways. Firstly, the exhaust gas components are reduced by optimizing the in-engine combustion. Secondly, polluting and toxicological exhaust components can be minimized by means of exhaust gas aftertreatment systems of emissions. The recirculation of exhaust gas into the fresh air mass flow (exhaust gas recirculation, EGR) is a constructive measure for reduction of nitrogen oxide emissions in diesel engines. In this exhaust gas recirculation system, the EGR valve is a key component and often combined with an EGR cooler. Depending on the concept of the engine there can be high or low pressure exhaust gas recirculation, i.e. the exhaust gas is removed either before or after the turbocharger, or there can be a combination of both systems.
In the present study, the interactions and influences of organic deposits in turbocharged diesel engines are considered. The examined Volkswagen engine is installed in vehicles to comply with the exhaust emission level Euro 5, and is equipped with a water-cooled high-pressure EGR and an exhaust aftertreatment system. Therefore, the focus of this study is on the subarea of the deposits in high pressure EGR systems.
The exhaust gas from the high-pressure EGR is directed back into the fresh air intake system before it reaches the turbocharger. The extracted gas is not purified by exhaust gas aftertreatment systems. Therefore, all exhaust gas components are guided through the EGR cooler and through the EGR valve. This can lead to contamination that could potentially affect the cooling capacity, the recirculated exhaust gas mass and the combustion process. In this thesis, the operation of the mentioned exhaust gas recirculation and the various combustion processes in a diesel engine are described in detail.
Three aspects of the dirt or deposits in the EGR system are investigated more closely.
First aspect: The physical and chemical deposition mechanisms, which can lead to contamination and deposits in EGR systems, are pointed out.
Second aspect: The deposits are analyzed for their chemical composition. It could be shown that the deposits found are completely of organic chemical nature and consist mainly of diesel soot, polycyclic aromatic hydrocarbons, unburned fuel, and various polymeric structures. The latter is formed in situ by the prevailing temperatures and the present molecular combinations.
Third aspect: The influence factors and mechanisms of deposit formation are described and simulated in engine test rigs and laboratory tests. In particular, the impact of polycyclic aromatic hydrocarbons and the buildup of organic polymers, which are based on phenol-aldehyde resins, have been found to be significant mechanisms.
Furthermore, network formation mechanisms with biodiesel molecules and esterification reactions have crucial impact on formation of deposits.
Moreover, a strong influence of the exhaust and cooler temperatures are detected. The greater the difference between cooling water temperature and exhaust gas temperature, the better the chemical components are deposited on the cooler surface. Furthermore, exhaust temperatures up to 800 Grad C reinforce the pyrolysis reaction, and the formation of networks of polycyclic aromatic hydrocarbons. In conjunction with subsequent cooling down, the condensed exhaust gas components are cooled and the network formation reaction is interrupted and is kept in that state. In combination with diesel soot particles, a surface is created, which is able to accommodate the additional exhaust components. The subsequent high-temperature phases pyrolyze the organic material, and thereby produce a solid and adherent surface or insulation layer. The heat contained in the exhaust gas can no longer be dissipated via the heat exchanger. Also, the pyrolysis reactions are enhanced by increasing temperatures at the surface. As a result the deposit formation catalyzes itself.


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Letzte Änderung: 10.11.16