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M. Brandmüller:
"Untersuchungen an kleinvolumigen Verbrennungsmotoren zur Bestimmung derer Partikel- und Abgaskomponenten";
Supervisor: B. Geringer, J. Graf, T. Geier; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA), 2019; final examination: 2019-12-06.

"lnvestigations on small displacement internal combustion engines for
the determination of their particle and exhaust gas components"
For the certification of small displacement engines for handheld devices within the EU, solely the emissions of the gaseous components carbon monoxide (CO), unburnt hydrocarbons (HC) and nitric oxides (NOx) are restricted to date. Additional limitations of the particle emissions seem likely in the near future.
To evaluate the current state of the art in this regard, a specifically adapted test bench was set up at the Institute for Powertrains and Automotive Technology (IFA) of the Technical University of Vienna (TU Wien). The previous experiments on four-stroke engines with pre-mix and wet sump lubrication show a significant impact of the oil content in the fuel on the engines' particle emissions.
For the experiments discussed in this thesis, three two-stroke engines were tested, in addition to the previously tested pre-mix lubricated four-stroke engine. Two of these two-stroke power units mainly differ in the exhaust gas aftertreatment - one version is equipped with an oxidation catalytic converter, the other one is not. Aside from the investigation of the two-stroke engines' exhaust gas composition depending on the airfuel equivalence ratio "A and the engine speed, the effect of the catalytic converter is analysed.
Another topic is the investigation of the particle emission fractions, using a Soxhlet analysis.
In the literature part, the different drive variants for hand-held devices and their distribution at the market are discussed. Afterwards, an overview is given on particle measuring methods and the legal requirements for exhaust gas measurements, the used measuring equipment and the influence of certain parameters on the results for different engine types. In conjunction with this, the boiling behavior of fuels and lubricants is discussed.
The results for the two-stroke engines are showing a significantly greater fraction of unburnt hydrocarbons (HC) in the exhaust gas, while the fraction of nitrous oxides (NOx) is much smaller. The particle number and mass is relatively high, with the particles being composed mainly of unburnt oil and fuel. The soot emissions are very low. The oxidation catalytic converter is very effective - not only does it reduce the HC emissions, but also the particle mass and number.
The low emissions of the tested four-stroke engines - even the pre-mix lubricated ones - are unmatched by the two-stroke power units. Due to the lower combustion temperatures, the lubricating oil is only partially being burnt or evaporated and therefore exits the engine as small droplet-shaped particles

Für die Typgenehmigung von Kleinmotoren handgehaltener Arbeitsgeräte in der EU sind aktuell nur die gasförmigen Abgaskomponenten Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) begrenzt. Eine zusätzliche Limitierung der Partikelemissionen scheint in naher Zukunft wahrscheinlich. Um
diesbezüglich den aktuellen Stand der Technik beurteilen zu können, wurde am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) der TU Wien ein speziell adaptierter Prüfstand für Motoren dieser Klasse entwickelt. Die bisher durchgeführten Versuche an Viertaktmotoren mit Verlust- und Getrennt-Schmierung zeigen einen eindeutigen Einfluss des Ölanteils im Kraftstoff auf die Partikelemissionen.
Für die in dieser Arbeit behandelten Versuche werden neben dem bereits zuvor untersuchten gemischgeschmierten Viertakter auch drei Zweitaktaggregate hinsichtlich ihres Emissionsverhaltens untersucht. Zwei dieser Probanden unterscheiden sich im Wesentlichen nur durch die Abgasnachbehandlung - eine Version ist mit einem Oxidationskatalysator ausgerüstet, die andere nicht. Neben der Ermittlung der Abgaszusammensetzung der Zweitaktmotoren in Abhängigkeit von Luftzahl λ und Drehzahl wird auch der Einfluss des Oxidationskatalysators untersucht. Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung der Bestandteile der Partikelemissionen mittels Soxhlet-Analyse.
Im Literaturteil werden die möglichen Antriebsvarianten handgehaltener Arbeitsgeräte und deren Verteilung am Markt diskutiert. Danach folgt eine Übersicht über Partikelmessmethoden und die gesetzlichen Vorschriften zur Abgasmessung. Außerdem wird auf die verwendete Messtechnik, sowie die Einflüsse bestimmter Messparameter auf die Ergebnisse bei verschiedenen Motortypen eingegangen. In Zusammenhang damit wird das Siedeverhalten von Kraft- und Schmierstoffen diskutiert.
Die Ergebnisse zeigen bei den Zweitaktmotoren zunächst einen deutlich höheren Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) im Abgas, hingegen ist der Anteil an Stickoxiden (NOx) deutlich geringer. Sowohl die Partikelzahl, wie auch die Partikelmasse sind relativ hoch, wobei die Partikel fast ausschließlich aus unverbranntem Öl und Kraftstoff bestehen. Die Rußemissionen (elementarer Kohlenstoff) sind sehr gering.
Der Oxidationskatalysator erweist sich als sehr effektiv - er verringert nicht nur die HC-missionen, sondern auch die Partikelmasse und -zahl. Die niedrigen Emissionswerte der Viertaktmotoren - auch des gemischgeschmierten - werden von den Zweitaktmotoren generell nicht erreicht. Die niedrigen Verbrennungstemperaturen führen dazu, dass das zugemischte Schmieröl nicht oder nur teilweise verbrannt bzw. abgedampft wird und somit in Form tropfenförmiger Partikel ins Freie gelangt.