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Forschung

 

Grundsätzlich müssen alle Verfahren auf die Eigenschaften von Rußpartikeln selektiv reagieren, aber unempfindlich gegenüber allen anderen gasförmigen Abgasbestandteilen und Umgebungsbedingungen, d. h. vom Abgasdruck und von der Abgastemperatur sein.

Zusätzliche Anforderungen an die Messtechnik werden durch die speziellen Eigenschaften der Rußpartikel gestellt, die bei der motorischen Verbrennung entstehen. Diese Rußpartikel weisen ein Größenspektrum auf, das generell zwischen 10 und 300 [nm] liegt. Das folgende Diagramm zeigt beispielhaft diese typische Partikelverteilung im Abgas eines modernen Dieselmotors.

Partikelgrößenverteilung

Die Russpartikelmessgeräte müssen demzufolge in der Lage sein, Nanopartikel in der Größe von 60 [nm] und kleiner bei sehr geringen Konzentrationen von ca. 100 [µg/m³] sicher zu erfassen, wenn Fahrzeuge mit Partikelfiltern ausgestattet sind.

Es wird eine Übersicht über Messverfahren gegeben, die diese Anforderungen erfüllen können, es werden aber auch Verfahren diskutiert, die für solche Messungen vorgesehen sind, aber aus physikalischen Gründen diese Anforderungen nicht leisten können.

Das photoakustisches Resonanzverfahren
LI²SA (Laser Induced Incandescence Soot Analyser)
Streulicht-Photometer-Verfahren
Koronaladungsverfahren

 

Das photoakustische Resonanzverfahren

Photoakustisches Resonanzverfahren

Funktion:

Der gepulste Laserstrahl erzeugt ein periodisches Aufheizen der Rußpartikel.

Das Abgas in der Kammer wird dadurch erwärmt und dehnt sich periodisch aus.

Diese periodischen Gasdruckänderungen erregen eine Kammerlängsresonanz, die mit einem Mikrofon registriert wird.

Der Effektivwert des Mikrofonsignals repräsentiert die Rußpartikelmasse.

Es werden ausschließlich Kohlenstoffpartikel gemessen.

Die hohe Messempfindlichkeit von Rußpartikelkonzentrationen bis 10 [µg/m³] kann nur erreicht werden, wenn die Abgasdichte in der Resonatorkammer sehr konstant gehalten wird, d.h. eine präzise Regelung des Druckes und der Temperatur erfolgt. Dieses Verfahren wird meistens in Kombination mit einem Gasverdünnungstunnel betrieben, um Kondensatbildung anderer Abgasbestandteile zu vermeiden. Die Durchtrittsfenster des Laserstrahls werden mit Hilfe gefilterter Druckluft rußfrei gehalten. Mögliche Verschmutzungen und der damit verbundene Verlust von Strahlungsenergie wird durch eine Nullpunktkorrektur vor jeder Messung kompensiert. 

 

LI²SA (Laser Induced Incandescence Soot Analyser)

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Funktion:

Rußpartikel, die den Hochleistungslaserstrahl passieren, werden verdampft.

Die dabei entstehende Lichtstrahlung wird von einer Weitwinkelkamera erfasst.

Die Frequenzanalyse der Strahlung ermöglicht die Messung der Partikelgröße, der Partikelmasse und der Partikelkonzentration.

Es werden ausschließlich Kohlenstoffpartikel gemessen.

Das Verfahren wird im Abgasvollstrom eingesetzt und besitzt eine Messempfindlichkeit kleiner als 10 [µg/m³] Rußpartikelkonzentration.

 

Streulicht-Photometer-Verfahren

Streulicht Photometer

Funktion:

Ein Laserstrahl durchquert die Messkammer oder auch das Abgasrohr.

Sobald ein Partikel in den Laserstrahl gelangt, entsteht Streulicht, das von dem Partikel nach allen Seiten ausgesendet wird. Ein Teil dieses Streulichtes wird von einer Optik erfasst und auf eine Fotodiode fukussiert.

Die Streulichtintensität repräsentiert die Gesamtmasse der Partikel.

Die Laser Streulicht Verfahren besitzt eine hohe Empfindlichkeit und kann Partikelkonzentrationen von 10 [µg/m³] messen. Es ist hervorzuheben, dass nicht nur Rußpartikel gemessen werden, sonder alle Arten von Partikeln, die ein optisches Hindernis darstellen, also auch Asche, Staub usw.

Bei der Anwendung des Verfahrens ist die Reinhaltung des Lasereintrittsfensters von besonderer Bedeutung, da geringste Ablagerungen Streulicht erzeugen, das durch eine Nullpunktkorrektur kompensiert werden kann, mit der Konsequenz, dass damit die Messempfindlichkeit stark reduziert wird. Mit der dargestellten Messanordnung sind kleine Partikel, die durch die motorische Verbrennung entstehen, nicht mehr sicher messbar, da diese, im Zusammenwirkung mit der Wellenlänge des Lasers, ein Beugungsspektrum erzeugen. Dieses Beugungsspektrum liefert winkelabhängige Streulichtintensitäten, wobei die Winkel von den Partikelgrößen abhängig sind. Um verlässliche Messergebnisse zu erhalten, ist eine aufwendige fotooptische Auswertung erforderlich, die vorwiegend bei stationären Messeinrichtungen umgesetzt werden kann.

Um bei mobilen Messeinrichtungen verlässliche Ergebnisse nach dem Streulichtverfahren zu erhalten, werden besondere Techniken eingesetzt, um die Nanopartikel an spezielle eingesprühte Flüssigkeitströpfchen anzulagern, damit ausreichend Streulicht erzeugt wird.

Die Abgasentnahme zur Speisung des Messgerätes muss über einen geheizten Schlauch erfolgen, da sich sonst Wasserkondensat bildet, in dem sich auch Rußpartikel absetzen, die für die angestrebte Messung nicht mehr verfügbar sind.

 

Messung der Partikelladung mittels Koronaladung

Koronarladung

Funktion:

Rußpartikel werden durch Koronarstrahlung elektrisch geladen.

Beim Durchströmen eines Messgitters erzeugen die Partikel während deren Entladung einen Strom, der mit einem Stromverstärker gemessen wird.

Der Effektivwert repräsentiert die Partikelmasse.

Das Messergebnis ist von der Abgasgeschwindigkeit abhängig, die bei einer Bypass-Anwendung konstant gehalten werden kann.

Bei der Anwendung besteht die Forderung, den hohen Isolationswiderstand von ca. 20 [MΩ] bei einer Spannung von 6 bis 8 [kV] und hohen Umgebungstemperaturen aufrecht zu erhalten. Zur Reinhaltung der Oberfläche wird gefilterte Druckluft verwendet. Das verfahrenstechnische Problem entsteht durch die Anwendung von Korona zur Ladung der Partikel, da nicht nur die Partikel geladen, sondern auch andere Abgasbestandteile ionisiert werden, die einen Beitrag zum Messergebnis liefern. Diese Querempfindlichkeiten können nicht eliminiert werden.


 

 

 

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