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F. KLEiSSNER:
"Senkung der Partikelemissionen bei kleinvolumigen Verbrennungsmotoren durch Variation des Schmieröls, des Zündzeitpunkts und durch Otto-Partikelfilter";
Supervisor: B. Geringer, T. Geier; Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik(IFA), 2021; final examination: 2022-01-27.

Reduction of particulate emissions of small displacement internal
combustion engines through variation of the lubricating oil, ignition
timing and through gasoline particulate filters

As of yet, solely the gaseous emissions of carbon monoxide (CO), unburned hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NOx) are restricted by EU-regulation for placing hand-held work tools with combustion engines on the market. The emission of particulate matter is still not restricted by EU-rulebooks. To classify and quantify emissions of combustion engines with small displacement, a specially adapted test bench was set up at the Institute for Powertrains and Automotive Technology (IFA) of the TU Wien (Technical University of Vienna). The exhaust gas of two-stroke and four-stroke engines with lost lubrication is rich on particulate matter of unburned fuel and oil. Previous experiments have shown, that the use of oxidation catalysts (wiremesh-pads with an active catalytic coating) as particulate filters with passive continuous regeneration is an effective way to reduce HC-emissions as well as particulate matter and particulate numbers. In the course of this work it is investigated how oils from different manufacturers and different fuel-oil ratios have an impact on the emissions of two-stroke and four-stroke engines with lost lubrication. Furthermore, a two-stroke engine is being indicated (highpressure combustion chamber indication) and equipped with external ignition equipment. The impact of different ignition timings on gaseous emissions, particulate matter and other engine parameters like torque, power and fuel consumption is being investigated.
Also, an exhaust port timing variation is being performed to analyze the impact of exhaust gas temperature and residence time of gas mixture before ignition and residence time of exhaust gas after ignition. Furthermore, the effect of gasoline particulate-filters with passive continuous regeneration (wiremesh-pads with an active catalytic coating) is examined - two, three and five identical wiremesh-pads are installed in the muffler of a two-stroke engine.

In the literature part, the effect of different catalytic materials on the composition of exhaust gases is discussed.
lt is described, which catalytic materials are best for the use with low exhaust gas temperatures. The impact of oil-composition, oil-dosage, variation of ignition timing and cylinder temperature on the emissions of an engine is explained. Also, the influence of gasoline particulate-filters on an engine's performance and emissions is discussed. lt is shown that the composition and dosage of oil has a big effect on the formation of emissions. Also, ignition timing and cylinder temperature have a big impact on gaseous (especially HC-) emissions.

Nach wie vor sind für die Genehmigung von Kleinmotoren handgehaltener Arbeitsgeräte in der EU nur die gasförmigen Abgaskomponenten Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) begrenzt. Eine Limitierung der Partikelmasse hat bis jetzt keinen Einzug in das EU-Regelwerk gefunden. Am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik (IFA) der TU Wien werden an einem speziell adaptierten Prüfstand Versuche und Messungen mit "kleinvolumigen" Verbrennungsmotoren durchgeführt, um deren Emissionen zu klassifizieren und zu quantifizieren. Das Abgas von Zweitakt- und verlustgeschmierten Viertaktmotoren ist reich an Partikeln aus unverbranntem Kraftstoff und Öl. Vorangegangene Versuche haben gezeigt, dass der Einsatz von Oxidationskatalysatoren (Wiremesh-Kissen mit "Washcoat"-Beschichtung und katalytisch aktiver Beschichtung) als Otto-Partikelfilter mit passiver kontinuierlicher Regenerierung ein wirksames Mittel zur Reduktion von HC-Emissionen sowie von Partikelmassen und -anzahlen darstellt. Im Zuge dieser Arbeit wird untersucht, wie sich der Einsatz von Ölen verschiedener Hersteller und unterschiedliche Treibstoff-Öl-Mischungsverhältnisse auf die Emissionen eines verlustgeschmierten Viertaktmotors und eines Zweitaktmotors auswirken. Des Weiteren wird am Zweitaktmotor eine Hochdruck Brennraum Indizierung vorgenommen und dieser mit einer Fremdzündungsanlage ausgestattet. Es wird der Einfluss von verschiedenen Zündzeitpunkten (ZZP) auf gasförmige Emissionen, Partikelmasse und andere Motorparameter wie Drehmoment, Leistung und Treibstoffverbrauch untersucht. Im Zuge der Zündzeitpunktvariation wird die Auslasssteuerzeit variiert, um den Einfluss der Abgastemperatur sowie der Verweildauer des Gemisches bzw. des Abgases vor und nach dem ZZP zu ermitteln. Außerdem wird der Einfluss von Wiremesh-Kissen mit "Washcoat"-Beschichtung und katalytisch aktiver Beschichtung als Otto-Partikelfilter mit passiver kontinuierlicher Regenerierung untersucht. Es werden zwei, drei bzw. fünf Wiremesh-Kissen (mit "Washcoat" und katalytisch aktiver Beschichtung) selber Größe im Schalldämpfer des Zweitaktmotors verbaut.

Im Literaturteil wird diskutiert, wie sich verschiedene Katalysatormaterialien auf die Zusammensetzung der Emissionen auswirken und welche Materialien für niedrige Abgastemperaturen geeignet sind. Es wird betrachtet, wie sich die Zusammensetzung von Ölen und eine Variation der Ölmenge, der Einsatz von Katalysatoren, eine Variation des ZZPs und die Zylindertemperatur auf die Emissionen und deren Zusammensetzung auswirken.

Die durchgeführten Versuche zeigen, dass die Öle verschiedener Hersteller zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen - das Mischungsverhältnis von Treibstoff und Öl hat einen großen Einfluss auf Zusammensetzung und Menge der entstehenden Emissionen. Es stellt sich eine starke Abhängigkeit der gasförmigen Emissionen (vor allem der HG-Emissionen) vom ZZP sowie der Zylindertemperatur heraus.