Abstract:
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.
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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.
Abstract (englisch):
The formation of blow-by aerosols poses a risk to sustainable engine operation. These aerosols contribute to particulate matter (PM) emissions and gaseous (e.g., methane slip) emissions in combustion engines with open crankcase ventilation systems. In engines with closed crankcase ventilation, these aerosols form deposits that reduce engine efficiency, performance, and reliability. To avoid such issues, highly efficient oil mist filters and in-engine reduction strategies based on a quantitative understanding of aerosol sources and formation mechanisms in the crankcase environment are key. ... mehr
However, obtaining accurate measurements of particle size distributions (PSDs) in engine blow-by aerosols is challenging due to several factors such as high number concentrations, elevated temperatures, the presence of saturated vapor, and unsteady flow conditions. To address these challenges, a comprehensive study was conducted using a commercial optical particle counter (OPC). In this study, single-stage (1:9) and double-stage (1:80) sampling, dilution, and conditioning systems were devised and characterized to determine their effectiveness in the OPC sensor range of 0.3 to 17 µm. Correcting for particle losses, primarily due to inertia, was crucial for reliable PSD measurements, with losses exceeding 90% at 10 µm. The impact of saturated oil vapor on droplet growth during the cooling and dilution of the sample flow was investigated based on actual vapor concentration data. Results showed that droplet growth became significant above 100 °C, but diluting the sample flow with 20 °C air at a 1:20 ratio suppressed growth. Tests conducted with engine blow-by aerosols using the overall sampling and dilution strategy demonstrated excellent reproducibility and good agreement (after loss corrections) with reference data regarding PSD in the 0.3-10 µm range and total mass. However, the actual engine blow-by PSD was broader, exceeding the measurement range of the OPC on both ends. Converting OPC data from particle number to mass underestimated the total mass by 10% to 20% compared to weighed filter samples, unless contamination with oil deposits on the OPC was avoided. A re-calibration procedure is proposed to address pressure pulsations resulting from engine operation.
Based on these findings, a comprehensive study was carried out with the same OPC on a medium-duty 4-cylinder 5.1-liter diesel engine. The influence of oil temperature, engine load and engine speed on the blow-by aerosol properties was investigated. Increasing the engine load at 1200 rpm from 0 to 880 Nm at a free-moving oil temperature of up to 117 °C resulted in a 64% higher concentration of particles smaller than 1.2 µm. At a constant oil temperature of 93 °C, the same test resulted in a 50% higher concentration. Lowering the oil temperature to 48 °C almost completely prevented the formation of submicron particles. When the engine speed is increased from 1400 to 2400 rpm, the concentration below 2.7 µm increases significantly. Both the increase in engine load and the increase in engine speed resulted in an increase in the blow-by gas flow rate and thus more aerosol emissions from the crankcase. To determine the aerosol contribution of the turbocharger, experiments were conducted by coupling and decoupling the turbocharger. The results show that the turbocharger is a negligible aerosol source at nominal engine power but contributes significantly to the blow-by gas flow, up to 30%. The location of the blow-by aerosol sources within the engine was determined by varying the OPC sampling points and introducing dilution air into different sections of the crankcase. The lower crankcase compartment was found to be the major source of submicron aerosols. Introducing air into this compartment caused particles to be flushed through the riser ducts into the upper crankcase section. This did not result in the dilution of the aerosol, but the mass rates increased in proportion to the dilution factor. Analysis of the separation characteristics of the risers showed inertial behavior and very low efficiencies of less than 10% at 10 µm, resulting in most particles <10 µm passing through the ducts unhindered. The upper part of the crankcase proved to be a source of particles larger than 2.7 µm and even larger than 10 µm. These particles were captured by a filter integrated directly into the valve cover.
Information on the contribution of single aerosol sources in the lower crankcase compartment was obtained from a 1.3-L single-cylinder engine under well-defined conditions in the 0.01 to 10 μm size spectrum. The formation of supermicron particles in the crankcase was mainly attributed to cooling jet break-up when the piston was at top dead center (TDC). Conversely, aerosol generation decreased by approximately 90% at bottom dead center (BDC) due to the shorter and more stable oil jet. Motoring the engine resulted in an additional peak around 0.7 μm, associated with oil atomization at the piston rings, which increased significantly with cylinder peak pressure. No significant contribution from bearings was identified at peak pressures below 116 bar, and engine speed had a minor effect on aerosol properties. Operating the engine in fired mode substantially increased submicron aerosol concentration, likely due to higher peak pressures promoting aerosol generation at the piston rings and the formation of additional particles from recondensing oil vapor generated at hotspots. Soot or ash aerosols were not detected in the crankcase aerosol, possibly because they were integrated into the bulk oil.
The formation mechanisms involving nucleation and growth by vapor condensation, with and without pre-existing nuclei, were investigated experimentally and through one-dimensional simulations under engine-like conditions using actual engine oil and hexadecane. The equilibrium saturation levels at temperatures ranging from 100 °C to 130 °C were well-defined, and cooling occurred in laminar tube flow at a controlled rate. Nucleation and growth of pre-existing nuclei resulted in separate peaks around 0.25 ± 0.1 µm and 0.7 ± 0.2 µm, respectively, which closely matched actual engine data. The position of the latter peak was relatively insensitive to the primary nuclei size within the range of 0.04 to 0.2 µm. Increasing vapor concentration (via more volatile oil or higher temperature) or decreasing the cooling rate slightly enlarged the nucleation peaks (0.15 µm to 0.35 µm) but significantly reduced peak concentrations by a factor of 10. This counterintuitive result can be explained by shifts in the supersaturation profile during cool-down. It should be noted that in both experiment and simulation, spontaneous nucleation was limited to pre-existing nuclei concentrations below approximately
2x105 to 5x105 cm-3 at engine oil temperatures of 100 °C or higher. Vapor losses to system walls during cool-down were found to be a significant factor in both actual engine environments and laboratory settings, and they must be considered for realistic simulations, as they affect the actual number concentrations more than the peak location.
Effective in-engine strategies for reducing blow-by aerosols were developed. They involve the optimization of piston ring design, as these rings are identified as the primary contributors to submicron crankcase aerosol. Minimizing blow-by gas flow at the piston rings is crucial for effective reduction. Additionally, reducing the brake mean effective pressure (BMEP) of the engine is beneficial, as crankcase emissions increase exponentially with BMEP. Enhancing piston cooling, particularly by reducing the oil temperature of the cooling jet, is a more viable approach. Specifically, decreasing the oil temperature of the cooling jet on a single-cylinder diesel engine from 80 °C to 50 °C resulted in a 33% reduction in mass emissions in the 0.7 µm mode, while reducing the oil temperature on a 4-cylinder diesel engine from 93 °C to approximately 70 °C led to a 50% decrease in particles smaller than 1 µm. The impact of the oil cooling nozzle, which generates a mode around 2 µm by forming satellite drops during the break-up of the oil jet is also addressed. Improving jet stability by reducing the distance between the nozzle and the piston helps minimize the impact of this source. Regarding the turbocharger, its contribution to aerosol mass was found to be less than 20%, but it accounted for up to 30% of the blow-by gas flow. Introducing this gas flow in the lower region of the crankcase did not dilute the blow-by aerosol but rather flushed out additional particles. On the other hand, directing gases from the turbocharger or other sources to the upper region of the crankcase is beneficial as it led to the expected dilution of the blow-by aerosol. However, this approach requires that the entrance of the ventilation system is in the upper crankcase region. The work highlights the saturated environment of the crankcase, which contains a significant amount of oil vapor. At crankcase temperatures around 120 °C, condensation of this vapor during cooling substantially increases the aerosol mass of existing nuclei and possibly also forms new particles. Therefore, lower bulk oil temperatures and fewer engine hotspots play a vital role in reducing crankcase aerosol concentration. The impact of less volatile engine oils is less straightforward, as higher vapor pressure leads to the formation of fewer but larger droplets through nucleation and growth of existing aerosols. Larger droplets are easier to remove using most abatement devices. Lower cooling rates are also beneficial for similar reasons, although controlling them in engine design poses challenges.
