[Back]

T. Geier:
"Untersuchungen mit einer Abgasverdünnungsanlage für kleinvolumige Verbrennungsmotoren zur Bestimmung von deren Abgaskomponenten und Partikelemissionen";
Supervisor: B. Geringer, J. Graf; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA), 2017; final examination: 2017-12-14.

lnvestigations with an exhaust gas dilution system for small-volume combustion engines to determine their exhaust gas components and particulate emissions:

Hand-held work tools with combustion engines are for many people a daily companion in fulfilling their job performance. As of yet solely the gaseous emissions in particular CO and HCNOx (the sum of HC and NOx) are restricted via EC-regulation [1] for placing these devices on the market. Due to protection of labor it is to be expected that there will be an upcoming restriction of particulate emissions by the EC-rulebooks. Most of these apparatuses are driven by small-volume engines that use lost lubrication with the 2-stroke principle. According to this fact the exhaust gas is rich on particulate matter of unburned fuel and oil. Even the use of 4-stroke engines with petrol lubrication reduces the emissions significantly. The raw exhaust gas of these 2- and 4-stroke aggregates is way too polluted to be analyzed by automotive exhaust gas measuring equipment - the contamination would considerably shorten the maintenance intervals and the service life of these devices.

A CVS-installation is adapted to dilute the exhaust gases of the small-volume engines to a degree that they can be analyzed with conventional measuring equipment without any limitation to the functionality. An additional challenge for the measuring arrangement is to be able to perform the required analysis for future certification of placing the engines of hand-held devices on the market as far as possible according to the norms and generating the relevant data.

Explorations of all the emissions are conducted in the context of Lambda respectively
engine speed variations with 4-stroke engines of the class NRSh-v-1 a4. Thereby the fuels Alkylate petrol, Super E5 and Super E15 with and without 2% oil supplement plus propane as gaseous alternative without oil are used. With the determination of the power curve the particle emissions are. ascertained with a soot sensor and a condensation particle counter (CPC). During the Lambda variation the
additional assessment of the gravimetric particle mass offers further information about the emitted particles. Suggestions that lead to realization of a lower emission of particulate matter are deduced from observations and derived analyses insights.

The assumption has. been verified that the added lubricating oil to the fuel is mainly
responsible for the increased formation of aerosols with the hand-held work tools. Besides the fuel composition the environmental conditions have a not neglectable influence on the particulate emission.

Handgehaltene Arbeitsgeräte mit Verbrennungsmotoren sind für viele Menschen täglicher Begleiter bei der Erbringung Ihrer Arbeitsleistung. Bisher sind lediglich gasförmige Emissionen, nämlich CO und HCNOx (die Summe von HC und NOx) für das Inverkehrbringen dieser Maschinen per EU-Verordnung [1] begrenzt. Es darf erwartet werden, dass im Sinne des Arbeitsschutzes in näherer Zukunft eine Limitierung der Partikelemissionen Einzug in das EU-Regelwerk halten wird.

Die meisten dieser Geräte werden mit kleinvolumigen Motoren betrieben, die nach dem 2-Takt-Prinzip mit Verlustschmierung funktionieren. Das Abgas ist dementsprechend reich an Partikeln aus unverbranntem Kraftstoff und Öl. Schon der Einsatz von Gemischgeschmierten 4-Taktmotoren verringert die Emissionen deutlich. Das Abgas dieser 2- und 4-Taktaggregate ist zu stark verunreinigt, um es im Rohzustand mit den Abgasmessgeräten aus dem automotiven Sektor zu analysieren - eine zu große Verschmutzung würde die Wartungsintervalle und Lebensdauer dieser Systeme beträchtlich verkürzen.

Es wird eine CVS-Anlage1 adaptiert, um die Abgase von den kleinvolumigen Motoren so weit zu verdünnen, dass sie dann mit herkömmlichen Messsystemen ohne Einschränkung derer Funktionalität analysiert werden können. Eine weitere Anforderung an den Messaufbau ist, alle erforderlichen Messungen für eine zukünftige Zertifizierung betreffend das Inverkehrbringen der Motoren handgehaltener Maschinen so weit wie möglich normgerecht durchzuführen und die relevanten Daten zu generieren. Bei 4-Takt-Motoren der Klasse NRSh-v-1a2 werden im Rahmen von Drehzahl- bzw. Lambda-Variationen Untersuchungen sämtlicher Emissionen durchgeführt. Zum Einsatz kommen dabei die Kraftstoffe Gerätebenzin, Super E5 und Super E15 mit einem Ölanteil von 2% wie auch ohne Ölzusatz sowie Propan als gasförmiger Vertreter ohne Öl. Die Partikelemissionen werden jeweils mit einem Soot-Sensor und einem CPC3 bei der Leistungskurvenbestimmung ermittelt. Beim Durchlaufen der Abmagerungskurve gibt die zusätzliche Erfassung der gravimetrischen Partikelmasse weiteren Aufschluss über die emittierten Partikel.
Vorschläge zur Realisierungen einer geringeren Partikelemission werden aus Beobachtungen und gewonnenen Erkenntnissen der Analysen abgeleitet. Es hat sich die Vermutung bestätigt, dass das zum Kraftstoff zugesetzte Schmieröl hauptverantwortlich für erhöhte Aerosolbildung bei den handgehaltenen Arbeitsgeräten ist. Neben der Kraftstoffzusammensetzung haben auch die Umgebungsbedingungen Einfluss auf die Partikelemission.