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F. Schlader:
"Konzeptvergleich für kleinvolumige handgehaltene Verbrennungsmotoren bezüglich Abgas- und Partikelemissionen sowie Bestimmung der Partikelmassenzusammensetzung";
Supervisor: B. Geringer, J. Graf, T. Geier; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik(IFA), 2019; final examination: 2019-07-17.

At the Institute for Powertrains and Automotive Technology of the Vienna University of Technology, a testing bench was installed during the preceding project by GEIER [1]. This makes it possible to measure small-volume hand-held implements for exhaust gas certification, in consideration of legal regulations. This paper first of all deals with the development of the exhaust gas legislation of handheld machines, and in consequence supplies the existing safety limits. Current EU policy [2] does not yet regulate particulate emissions for these engine categories. lt only seems tobe a matter of time though before legislation restrictions are implemented. A classification of different engine concepts is made, which refers to technical criteria. According to the research results, solutions are described that lead to increased performance and the reduction of exhaust emissions.
At the testing bench two important changes are being made. First of all a new power brake is being installed and secondly a Dual Differential Mobility Particle Spectrometer is attached, allowing for measurement of particle number size distribution and particle volume size distribution.
Experiments are performed on two different 4-stroke engines, which differ in the type of lubrication system (loss and separate lubrication). Studies are being conducted on different effects of environmental influences on exhaust and particulate emissions. In particular, the ambient temperature, air pressure and relative humidity are discussed. Furthermore, investigations are conducted concerning the use of a catalyst with a special composition aimed at reducing NOx emissions on the sample carrier with mixture lubrication. Both the warm-up phase and the lambda variants are measured. The results
show that the catalyst significantly reduces HC and NOx emissions as weil as particulate mass. Finally, the two experimental engines are compared in terms of performance and combustion behavior as well as their particle emissions. The comparison is conducted at Lambda and rotational frequency variants.
In order to obtain more accurate knowledge about the composition of the particle mass, an analysis is carried out by using a Soxhlet apparatus. In the process the particle mass deposited on filter sheets is extracted which is produced during the combustion of oilcontaining and oil-free fuels (E5, E15, alkylate fuel). The extracted fractions are divided into:

- organic substances (Soluble Organic Fraction) and unburned hydrocarbons (SOF & HC)
- sulfate compounds (e.g.: salts or esters of sulfuric acid) and bound water
- residual mass (e.g., metal debris, soot and ash)

The SOF & HC make up the largest part of all measurements and increase strongly in the presence of oil during combustion. The absolute proportion of the sulfate compounds and the bound water increases significantly by the addition of oil to fuel.

Am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der Technischen Universität Wien wird im vorhergehenden Projekt von GEIER [1] ein Prüfstand aufgebaut. Dieser ermöglicht es, kleinvolumige handgehaltene Arbeitsgeräte, unter Berücksichtigung der gesetzlichen Vorschriften, für die Abgaszertifizierung zu vermessen.
Zu Beginn dieser Arbeit werden die zeitliche Entwicklung der Abgasgesetzgebung der handgehaltenen Maschinen beschrieben und schließlich die bestehenden Grenzwerte angeführt. In der derzeit gültigen EU-Richtlinie [2] gibt es für diese Motorenklassen noch keine Reglementierung für die Partikelemissionen. Es scheint aber nur eine Frage der Zeit zu sein, bis diese eine Beschränkung durch das Regelwerk erfahren.
Es wird eine Einteilung unterschiedlicher Motorenkonzepte ausgearbeitet, die sich nach technischen Kriterien gliedert. Anhand der Ergebnisse einer Recherche, werden Lösungsansätze beschrieben, die zur Leistungssteigerung und Absenkung der Abgasemissionen führen.
Am Prüfstand werden zwei wichtige Änderungen vorgenommen. Erstens wird eine neue Leistungs-Bremse installiert und zweitens ein Dual Differential Mobility Particle Spectrometer angeschlossen, wodurch das Messen der Partikel-AnzahlGrößenverteilung und der Partikel-Volumen-Größenverteilung ermöglicht wird. Die Versuche werden mit zwei verschiedenen 4-Takt-Motoren durchgeführt, welche sich in der Art des Schmiersystems unterscheiden (Verlust- und Getrennt-Schmierung). Es werden Untersuchungen zu den Auswirkungen unterschiedlicher Umgebungseinflüsse auf die Abgas- sowie die Partikelemissionen angestellt. Im Speziellen wird dabei auf die Umgebungstemperatur, den Luftdruck und die relative Luftfeuchtigkeit eingegangen. Weiters wird ein Katalysator mit spezieller Zusammensetzung, die auf die Verringerung der NOx-Emissionen abzielt, am Versuchsträger mit Gemischschmierung untersucht. Dabei werden die Warmlaufphase und eine Lambda-Variation vermessen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Katalysator die HC- und NOx-Emissionen deutlich absenkt und bei der Partikelmasse eine Reduzierung bewirkt. Abschließend werden die beiden Versuchsträger hinsichtlich der Leistung und des Verbrennungsverhaltens sowie deren Partikelemissionen verglichen. Der Vergleich wird bei einer Lambda- und einer Drehzahlvariation durchgeführt. Um genauere Erkenntnis über die Zusammensetzung der Partikelmasse zu erlangen, wird eine Analyse mit Hilfe einer Soxhlet-Apparatur durchgeführt. Dabei wird die auf Filterblättchen abgeschiedene Partikelmasse extrahiert, die bei der Verbrennung von ölhaltigen und ölfreien Kraftstoffen (E5, E15, Alkylatbenzin) entsteht. Aufgeteilt werden die extrahierten Fraktionen wie folgt:

- in organische Stoffe (Soluble Organic Fraction) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (SOF & HC)
- Sulfatverbindungen (z.B.: Salze oder Ester der Schwefelsäure) und gebundenes Wasser
- Restmasse (z.B. Metallabrieb, Ruß und Asche)

Die SOF & HC bilden bei allen Messungen den größten Anteil und steigen in Anwesenheit von Öl bei der Verbrennung stark an. Der absolute Anteil der Sulfatverbindungen und des gebundenen Wassers steigt durch die Beimischung von Öl zum Kraftstoff deutlich an.