Schlüsselwörter
(Deutsch)
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Partikelemission, Luftverschmutzung, Kanzerogenität, Russgenerator, Partikelmessung, Kalibration, Diesel, Verbrennungsmotoren
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Schlüsselwörter
(Englisch)
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particle emission, air polution, cancerogenity, soot generator, particle measurment, calibration, diesel, combustion engines
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Als erstes wird eine Zerstäubseinheit für flüssigen Brennstoff entwickelt und auf den bestehenden CAST-Brenner angepasst. Damit wird der flüssige Brennstoff zerstäubt und bildet durch Verbrennung mit einem Luftmantel eine so genannte „Co-flow Diffusion Flame“ in einer Brennkammer. Durch Löschung der Flamme am Ausgang der Brennkammer werden chemische Reaktionen von der Flamme gestoppt und somit ein Rauchgas mit Russpartikeln erzeugt. Das Brennstoffgemisch kann zusätzlich mit Inertgas verdünnt werden, um die Eigenschaften der Partikeln zu variieren. Die Betriebsbedingungen zur Herstellung von unterschiedlichen Russpartikeln und die Eigenschaften der Russpartikeln werden systematisch untersucht, nicht zuletzt auch der Gehalt an PAK, welche als kanzerogen eingestuft sind. Des weiteren sind gute Stabilität und Wiederholbarkeit der Russerzeugung ein weiteres wichtiges Ziel des Projekts.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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An atomizing unit for liquid fuel will be developed and adapted to the CAST burner. Within the combustion chamber of the CAST burner the atomized fuel reacts with the coating air and forms a co-flow diffusion flame. At the outlet of the combustion chamber the flame is quenched by inert gas and changes to a smoke with soot particles. In order to vary the features of soot particles, the fuel mixture will be diluted using inert gas. The operation parameters and the features of soot particles will be studied, inkl. the content of the cancerogene PAH. Besides, a further important objektive of the project is to make the soot generator work well stable and reproducible.
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Projektbeschreibung
(Deutsch)
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Die Grösse und Anzahlkonzentration der Russpartikel sowie deren Gehalt an elementarem Kohlenstoff (EC: elementary carbon) sind die wichtigsten Parameter zur Beurteilung der Partikelbelastung. Zur Kalibrierung der Messinstrumente und zur Untersuchung der Querempfindlichkeit benötigt man Russquellen, die unter realen Bedingungen diese drei Grössen stabil, wiederholbar liefern und erlauben, sie zu variieren. Diesbezüglich sind die Möglichkeiten, die vom CAST für gasförmigen Brennstoff gegeben sind, noch begrenzt und müssen durch den Einsatz vom flüssigen Brennstoff wie z.B. Dieselkraftstoff erweitert werden.
Bei dem hier beschriebenen Projekt wird zuerst ein Zerstäuber für flüssigen Brennstoff entwickelt. Der Kraftstoff wird damit kontrolliert zerstäubt und mit einem Brenngas als Trägergas transportiert. Aus einem solchen Brennstofffluss und einem zweiten Luftstrom wird eine so genannte „Co-flow Diffusion Flame“ in einer Brennkammer gebildet. Das Brennstoffgemisch kann zusätzlich mit Inertgas verdünnt werden, um die Eigenschaften der Partikel zu beeinflussen. Durch Löschung der Flamme am Ausgang der Brennkammer
werden chemische Reaktionen von der Flamme gestoppt und das Rauchgas stabilisiert.
Die Betriebsbedingungen, die Flüsse der eingesetzten Gase und Brennstoff sowie die zur Beschreibung der
Partikelemission relevante Parameter (Partikelgrösse, Anzahlkonzentration und die EC/OC) werden bei der
Entwicklung des Russgenerators systematisch erfasst. Die Stabilität und die Wiederholbarkeit der
Russerzeugung wird eingehend untersucht. Ebenfalls wird der Gehalt an PAK, welche als kanzerogen
eingestuft sind, mit Hilfe der HPLC untersucht.
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Methoden
(Deutsch)
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Der flüssige Brennstoff wird kontrolliert zerstäubt oder verdampft. Eine dazu geeignete Vorrichtung wird entworfen, getestet und verbessert. Aus einem solchen Brennstofffluss und einem zweiten Luftstrom wird eine sogenannte „Co-flow Diffusion Flame“ in einer Brenn-kammer gebildet. Der verdampfte Brennstoff kann zusätzlich mit Inertgas verdünnt werden, um z.B. Partikelgrösse zu beeinflussen. Durch Löschung der Flamme am Ausgang der Brennkammer werden chemische Reaktionen von der Flamme gestoppt und das Rauchgas stabilisiert.
Die wichtigen Parameter zur Beschreibung der Paritkelemission sind für die Entwicklung des Russgenerators die Paritikelgrösse, Anzahlkonzentration. Zur Analyse dieser Parameter setzt man den SMPS (scaning mobility particle sizer) ein und ermittelt die Grössenverteilung der Partikel.
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Spezielle Geräte und Installationen
(Deutsch)
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CAST-Brenner mit Zerstäubungseinheit, Massenflusskontroller, Flüssigkeitsmengekontroller, Laborbenutzung, Benutzung des Partikel- und Russanalysatoren (SMPS. HPLC)
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Stand der eigenen Forschung
(Deutsch)
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Im Rahmen eines früheren Projekts „Entwicklung eines Russgenerators“, das von dem METAS, der ETH, dem BUWAL, der SUVA und dem ASTRA finanziert wurde, wurde zwischen 1997 und 2000 der Russgenerator CAST entwickelt. Dieser erzeugt Rauchgas mit Hilfe einer Diffusionsflamme und stabilisiert es durch nachgeschatete Löschung. Die Charakterisierung des CAST wurde während 2001 und 2002 im Rahmen eines gemeinsamen Projekt zwischen METAS und Jing-CAST Technology durchgeführt. Der Vorteil vom CAST liegt darin, dass im Bereich zwischen 20 und 200 nm die mittlere Grösse und Konzentration der Russpartikel eingestellt und durch Regulierung der Flamme variiert werden können. Die Erzeugung des Russes ist stabil und wiederhobar. Somit ist eine Russquelle geschaffen, womit die Partikelemission vom Verbrennungsmotor im Sinne der Partikelgrösse und -konzentration in diesem Bereich nachgebildet werden. Der CAST-Brenner eignet sich für gasförmigen Brennstoff und bietet daher keine Möglichkeit, mit flüssigem Brennstoff Russ zu erzeugen.
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Projektziele
(Deutsch)
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In diesem Projekt wird ein Verfahren entwickelt, womit aus der Verbrennung von flüssigem Brennstoff Russpartikel erzeugt werden, deren physikalische, chemische und damit verbundene gesundheitsrelevante Eigenschaften jenen der realen Russemission mit guter Stabilität und Wiederholbarkeit nachbildet. Die mittlere Grösse der Russpartikel soll im Submikron Bereich (20 – 1000 nm) variabel sein.
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Projektziele
(Englisch)
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The objektive of the project is to develop a new device that generates soot particles from combustion of liquid fuel. The physical, chemical and healthy relevant features of the soot particles should be stable, reproducible and comparable to the real soot particle from combustion engines. Within the submicron range (20 - 1000 nm) the mean particle size should be variable.
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Forschungsplan
(Deutsch)
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Arbeitspaket 1 (2 Monate):
Entwerfen und Fertigung des Zerstäubers für Dieselkraftstoff
Beschaffung/Anfertigung: Zerstäuber, Massenflussregler für Propan und Men-ge-Kontroller für Diesel
Ausführung: Jing-CAST, FH Bern
Ausführungsort: Metas
Arbeitspaket 2 (1 Monate)
Russerzeugung durch die Kombination des Zerstäu-bers mit dem CAST-Brenner
Ermitteln der geeigneten Flussrate der beteiligenden Gase
Ermittlung von 5 repräsentativen Betriebspunkten im Bereich (20 – 1000 nm) und Grössenverteilungen der Russpartikel
Beschaffung/Material: Gase, Kleinmaterial wie Schläuche und Verbindungselemente
Ausführung: Jing-CAST, FH Bern
Ausführungsort: Metas
Arbeitspaket 3 (1 Monate)
Untersuchung der chemischen Zusammensetzung des Russes
EC/OC des Russes von den 5 Betriebspunkten werden ermittelt. Die Untersuchung erfolgt durch Filterbelegung (metas) und coulometrische Analyse (SUVA).
Beschaffung/Material: Filter
Ausführung: Jing-CAST
Ausführungsort: Metas
Arbeitspaket 4 (1.25 Monate)
Charakterisieren der Russerzeugung
Untersuchung der Stabilität und der Wiederholbarkeit der 5 repräsentativen Betriebspunkte während einigen Wochen.
Wiederholung der coulometrischen Untersuchung der Russproben
Präsentation an der 7. International Conference on Particle Measurement an der ETH
Beschaffung/Material: keine
Ausführung: SUVA, Jing-CAST
Ausführungsort: Metas
Arbeitspaket 5 (1.5 Monate)
Eignung des Russgenerators für Benzin und Hexan
Erprobung: Qualität der Zerstäubung, Stabilität der Diffusionsflamme
Allfällige Anpassungen der Konstruktion
Ermittlung der Flussrate
Charakterisierung der Partikel aufgrund der Partikelgrössenverteilung
Ausführung: Jing-CAST, FH Bern
Ausführungsort: Metas
Arbeitspaket 6 (2 Monate)
Untersuchung und Vergleich der PAK-Gehalts (2 Monate)
Installation und Test der Probenahme
Probenahme des Russes von CAST mit Diesel, Benzin und Hexan
HPLC-Analyse und Vergleich
Ausführung: Jing-CAST, externer Auftrag
Ausführungsort: Metas
Arbeitspaket 7 (1 Monat)
Zusammenfassung der Arbeit und Publikation
Schlussbericht
Publikation
Ausführung: Jing-CAST
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Abstract
(Deutsch)
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Umsetzung und Anwendungen
(Deutsch)
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Man ist bei der Untersuchung der Partikelemission in der Lage, Russ mit definierten Eigenschaften stabil und wiederholbar zu erzeugen. Dadurch können viele Untersuchungen auf künstliche Aerosole verzichten und mit echten Verbrennungsrusspartikeln durchgeführt werden. Die Qualität und die Aussagekraft solcher Untersuchungen können damit deutlich gesteigert werden.
Mit ausgedehntem Grössenbereich des Russes können Partikelmessung und Detektion im Submikron-Bereich geprüft werden. Bisherige Einsatzbereiche des CAST:
1. Automobilindustrie und Forschung
2. Toxikologische Untersuchung
3. Chemische und atmosphärische Untersuchung
4. Entwicklung von Filter und Katalysator
5. Entwicklung und Kalibration von Partikelmessgeräten
Fortsetzung des Projekt wird dann erforderlich, wenn die Eigenschaften des Russes und die Charakterisierung des Russgenerators eingehend untersucht werden müssen.
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Literatur
(Deutsch)
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1. L. Jing, "Characterization of carbon particles in diesel exhaust in relation to environmental protection", 8e Congrès International de Métrologie, 1996
2. L. Jing, "Charakterisierung der dieselmotorischen Partikelemission", Dissertation, 1997, Dept. für Chemie und Biochemie der Universität Bern.
3. L. Jing, "Neuer Russgenerator für Verbrennungsrussteilchen zur Kalibrierung von Partikelmessgeräten", OFMET Info Vol. 7, No. 2, 2000
4. L. Jing, "Generation of combustion soot particles for calibration purposes", 2nd ETH Workshop "Nanoparticle Measurement", ETH Zürich, 7. August 1998
5. L. Jing, "Standard combustion aerosol generator (SCAG) for calibration purposes", 3rd ETH Workshop "Nanoparticle Measurement", ETH Zürich, 9.-10. August 1999
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