Aufklärung des Einflusses von C7 und C8 Aromaten auf die Partikelbildung im Abgas von Ottomotoren mit Direkteinspritzung sowie Entwicklung eines Screeningverfahrens zur Vorhersage der Partikelbildung (Volumen 38) (Tienda española)

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Für Ottokraftstoffe steht chemisch-technisch mit der Einführung der Direkteinspritzung die Partikelemission im Vordergrund des Interesses. Ziel ist es, einen Beitrag dafür zu leisten, den Einfluss spezifischer Stoffgruppen und Einzelkomponenten in Ottokraftstoffen auf die Partikelbildung aufzuklären und insbesondere den Einfluss von C7 und C8 Aromaten zu identifizieren. Die Kraftstoffe werden in stationären und dynamischen Tests an Motoren- und Rollenprüfständen erprobt. Die gebildete Partikelanzahlemission wird mittels eines Kondensationspartikelzählers erfasst. Toluol und Xylol wiesen im Gegensatz zu größeren, stärker resonanzstabilisierten Aromaten ein verändertes Reaktionsverhalten auf. Literaturrecherchen und eigene Überlegungen legten den Schluss nahe, dass das aus C7-
und C8-Aromaten gebildete Benzy-Radikal unter hohem Druck dazu neigt, einen Fünf- oder Siebenring zu bilden und dadurch nicht zur PAK- und Rußbildung beitragen können. Die Rußminderung über den Weg der Fünfringbildung beruht auf der entropiegetriebenen
Ringöffnung unter hohem Druck, wobei die dadurch gebildeten PAK-Vorläufersubstanzen in der Kürze vorhandenen motorischen Verbrennungszeit den Rußaufbau nicht maßgeblich beeinflussen. Theoretische Überlegungen zur Chemie des aus Toluol gebildeten Siebenrings zeigen, dass das radikaltragende Kohlenstoffatom des Tropyl-Radikals zunächst einer Rehybridisierung von einem sp2- zu einem sp3-hybridisierten Kohlenstoffatom unterliegen müsste, um in die Rußstruktur eingegliedert werden zu können. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit befasste sich mit der Vorhersage der Partikelbildung. Dafür wurde die Vorhersage der Partikelbildung anhand der Rußpunktlampe und eines modifizierten Yield Sooting Index (YSI) als Screeningverfahren im Labor verglichen. Die Vorhersage anhand des YSI im Vergleich zur Rußpunktlampe erwies sich als präziser bei gleichzeitig geringerem Zeit- und Materialaufwand. Die motorisch gefundenen Ergebnisse des geringen Beitrags der C7- und C8-aromatenreichen Kraftstoffe konnten jedoch weder durch experimentelle Vorhersagen anhand der Rußpunktlampe noch durch die Berechnung des YSI abgebildet werden. Dies belegte die thermodynamische Abhängigkeit des veränderten Reaktionsverhaltens leichtsiedender Aromaten.

With the introduction of direct injection, particle emissions are the main focus of chemical and technical interest. The aim is to contribute to clarifying the influence of specific substance groups and individual components in gasoline on particle formation and, in particular, to identify the influence of C7 and C8 aromatics. The fuels are tested in stationary and dynamic tests on engine and chassis dynamometers. Particle number emissions are recorded using a condensation particle counter. In contrast to larger, more resonance-stabilized aromatics, toluene and xylene exhibited altered reaction behavior. Literature reviews and own considerations suggested that the benzy radical formed from C7 and C8 aromatics tends to form a five- or seven-membered ring under high pressure. Therefore it cannot contribute to PAH and soot formation. Soot reduction via five-ring formation is based on entropy-driven ring opening under high pressure. PAH precursors formed as a result do not significantly influence soot formation due to the short combustion time available. Theoretical considerations regarding the chemistry of the seven-membered ring formed from toluene show that the radical-carrying carbon atom of the tropyl radical would first have to undergo rehybridization from a sp2 to a sp3 hybridized carbon atom in order to be incorporated into the soot structure. Another focus of the work was the prediction of particle formation. For this purpose, particle formation prediction using the soot lamp and the modified Yield Sooting Index (YSI) as a screening method were compared in the aboratory. The prediction based on the YSI proved to be more accurate than that based on the soot lamp, while also requiring less time and material. However, the motor-based findings regarding the low contribution of C7- and C8- aromatic-rich fuels could not be reproduced either by experimental predictions using the soot point lamp or by calculating the YSI. This confirmed the thermodynamic dependence of the altered reaction behavior of low-boiling aromatics.