Till innehåll på sidan

Particle Characterization in the Exhaust Devices of Direct Injection Engines

Tid: Fr 2021-05-28 kl 10.00

Plats: Publikt via Zoom, Stockholm (English)

Ämnesområde: Maskinkonstruktion

Respondent: Arun Prasath Karuppasamy , Förbränningsmotorteknik

Opponent: Univ.-Prof. Mag. Alexander Bergmann, University of Technology Graz

Handledare: Prof. Anders Christiansen Erlandsson, Förbränningsmotorteknik; Dr. Hanna Bernemyr, Förbränningsmotorteknik

Abstract

För att säkerställa en hållbar framtida transportsektor så är det av yttersta vikt att mängden farliga emissioner från transportsektorn minimeras. Utsläpp av partiklar från förbränningsmotorer är mycket skadliga för människors hälsa, och de är också en bidragande faktor till global uppvärmning. I ett försök att motverka klimatförändringarna och förbättra luftkvaliteten undersöks, världen över, olika tekniska lösningar för att minska utsläppen från transportsektorn. Elektriska fordon har fått ökat fokus vilket driver på behovet av utveckling av batteriteknologi, laddningssystem samt kraftnätets infrastruktur. Men med tanke på nuvarande osäkerhet gällande tidsram och nödvändiga resurser för elektrifiering av tung transport så krävs fortsatt forskning omkring avancerade lösningar för att reducera emissioner från förbränningsmotorer. 

Projektet undersöker förändringar i partikelsammansättningen i avgaserna utmed avgassystemet i en tung förbränningsmotor. Resultaten från den här avhandlingen kan användas för att utforma effektiva tekniker för att minimera partikelemissioner i motorns avgaser genom att ge en djupare förståelse för vilka faktorer som påverkar partiklar i avgassystemet. Det utvärderas hur partikelantal (PN) samt storleksfördelningen påverkas i avgassystemet genom att titta på effekten av de olika komponenterna och utformningen av avgassystemet. De komponenter som undersöktes var: ett periodiskt partikelgrupperingsrör, en turboladdare, och en selektiv reduktionskatalysator (SCR). 

Ett specialdesignat periodiskt partikelgrupperingsrör, med syfte att öka partiklarnas förmåga att agglomerera till färre och större partiklar, minskade inte antalet icke-volatila partiklar i avgassystemet på en förbränningsmotor. Majoriteten av partiklarna i avgaserna hade en diameter under 50 nm. Dessa små partiklar påverkades inte signifikant av den inducerade periodiska rörelsen.

Avgastillstånd, såsom temperatur, flödeshastighet och initial koncentration av partiklar ut ur motorn påverkar storleksfördelningen och partikelantalet som går in i turboladdarens turbin. Vid låg last, leder kollisionerna med turbinens blad till fragmentering av partiklarna vilket ökar antalet partiklar i storleksordningen 30 till 200 nm efter turbinen. Avgastemperaturer över 400 ℃ vid turbinens inlopp främjar oxidation av sot, vilket möjliggör ytterligare reduktion av partikelantal vid högre last.

Vid högre laster med ökade utsläpp av kväveoxider (NOx) samt höga avgastemperaturer, kan ett överskott av insprutad urea uppströms SCR katalysatorn leda till att ammoniumsalter bildas i avgasströmmen. Detta ger en ökning av partiklar under 23 nm över katalysatorn, vilket ger en avvägning mellan utsläpp av NOx kontra PN. 

Eftersom partikel emissionerna förändras över avgassystemet så kan även den valda provkonditioneringen påverka partikelmätningarna. Därför undersöktes hur mätningarna påverkas av provkonditionering och valet av spädare undersöktes också. Mätningar av partikel antalet genomfördes med två olika spädare: en tvåstegs roterande skivspädare med en förångningsdel, samt en tvåstegs ejektorspädare med varmluftsspädning. De test som utfördes vid körning utan last visar att mätningarna av volatila partiklar påverkas mer (minskar) vid användandet av den roterande skivspädaren. 

Sammanfattningsvis visar detta forskningsprojekt att partikelemissionerna i motorns avgaser inte enbart påverkas av partikelfiltret (DPF). Turboladdaren och SCR-katalysatorn har också viss påverkan på partikelemissionerna under vissa förhållanden. En övergripande metod för att välja en passande spädning samt provkonditionering för mätning av partikel antalet i förbränningsmotorernas avgassystem har verifierats och presenterats.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-293786