In-situ-Bestimmung von Haupt- und Nebenbestandteilen der Abgas-Emissionen

Dieses Projekt hat zum Ziel eine präzise, laserbasierte optische Methode zu entwickeln, die zur Partikelmessung und zur schnellen und exakten Analyse der Zusammensetzung von Abgas-Emissionen dient, die in Dieselmotoren von Fahrzeugen entstehen. Die Zusammensetzung von Abgasen und Feinstaub des Verbrennungsprozesses wird dabei durch laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ermittelt. Die LIPS-Technik ermöglicht eine präzise und schnelle analytische Messung die zerstörungsfrei, ohne Proben-Vorbehandlung, im Sub-parts-per-million- Bereich, abhängig von der Proben-Zusammensetzung, durchgeführt werden kann. Wir stellen hier eine zeitgemäße laser-analytische Methode vor, die eine direkte in-situ-Messung des Vollstroms der Abgas-Emissionen ermöglicht, und ohne Verdünnung oder Verwendung einer Proben-Kammer auskommt. Existierende kommerzielle oder Labor-Techniken erfordern dagegen eine Modifikation der Abgase oder messen nur Teilströme, um konstante Messbedingungen zu erhalten. Verdünnung der Abgase kann aber zur Messung zu niedriger Konzentrationen führen und darüber hinaus können schnell transiente Emissionen verloren gehen, sodass diese nicht erfasst werden. Schnell transiente Emissions-Spitzen bilden aber bei standardisiertenTestzyklenfür Dieselmotorenden Hauptanteilder Gesamtemissionen. Eine andere wichtige Anforderung bei schnell transienten Emissionen ist eine unverzügliche Auswertung der Messergebnisse. Durch die Entwicklung einer in-situ Vollstrom LIPS-Technik wäre es möglich, die Abgas-Zusammensetzung und den zeitlichen Verlauf von schnell transienten Emissions-Spitzen systematisch in sehr kurzen Intervallen im Nano-Sekunden-Bereich zu untersuchen. Eine solche Technik ist sehr vorteilhaft für eine schnelle Erfassung von Haupt- und Nebenbestandteilen von Schadstoff-Emissionen, zur Auswertung transienter Emissionen sowie zur dynamischen Modellierung von Emissionen, für das Verstehen und Optimieren des Verbrennungsprozesses und somit zur Erfüllung künftiger EU- Verordnungen zur Reduktion der gesamten Schadstoff-Emissionen bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.

Die bestehenden Abgasnormen für Dieselfahrzeuge sehen lediglich Grenzwerte für Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und Feinstaub (Partikelanzahl und Größe) im Abgas vor. Weitere Komponenten, wie etwa gebundene Metalle und Spurenelemente in Feinstaub und Ruß werden nicht berücksichtigt. Nichtsdestotrotz stellen die zusätzlichen chemischen Elemente, die in der Kohlenstoffmatrix von Feinstaub und Ruß gebunden sind, einen beträchtlichen Anteil der Gesamtmasse dar. Da der Feinstaub aus Verbrennungsantrieben als dominante Komponente der Luftverschmutzung in Ballungsräumen betrachtet wird, wäre es wünschenswert eine Methode zur Verfügung zu haben, um die chemische Zusammensetzung der Partikel online oder offline präzise in-situ zu erfassen. Ziel dieses Projekts ist es eine solche Methode zu entwickeln und zwar auf Basis der Laserspektroskopie (Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS). Mit dieser Laser basierten optischen Analysemethode könnte eine schnelle und akkurate Erfassung der chemischen Zusammensetzung des Feinstaubs direkt im Abgassystem von Dieselfahrzeugen ermöglicht werden. Daher analysieren wir in dieser Forschungsarbeit spektroskopisch die chemische Zusammensetzung der Feinstaubemissionen von dieselbetriebenen Personenkraftwagen im Alltagsbetrieb. Dazu haben wir Rußproben aus zahlreichen Fahrzeugen verschiedener Marken entnommen. Um die exakte Zusammensetzung dieser Feinstaubablagerungen möglichst sensitiv zu analysieren haben wir eine hochauflösende Variante der LIBS-Technik angewendet, sodass auch Elemente erfasst wurden, die nur in Spuren enthalten waren. So haben wir festgestellt, dass neben den Hauptbestandteilen immer auch Nebenbestandteile und Spurenelemente enthalten sind und dass der Hauptbestandteil in der Regel nicht elementarer Kohlenstoff alleine ist, sondern dass neben Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff auch metallische Nanopartikel aus Eisen, Magnesium, Zink, Chrom, Aluminium oder Kalzium einen Großteil der Gesamtmasse ausmachen können. Neben diesen Hauptbestandteilen können diverse zusätzliche Elemente in der Feinstaubmatrix auftreten, wie etwa: Silizium, Nickel, Titan, Kalium, Strontium, Molybdän und andere. Zudem finden sich häufig Spuren von weiteren Elementen wie Barium, Bor, Kobalt, Kupfer, Phosphor, Mangan und Platin. All diese chemischen Elemente formen die Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften des Feinstaubs, der im Alltagsbetrieb ausgestoßen wird. Um die unterschiedlichen Strukturen und Zusammensetzungen von Rußpartikeln aus verschiedenen Fahrzeugen besser zu verstehen, haben wir neben quantitativen und qualitativen LIBS-Analysen auch weitere analytische Verfahren wie EDX/XEDS zum Vergleich herangezogen. Um vergleichbare quantitative Daten zu erhalten haben wir unseren LIBS Aufbau einer Kalibrierungsprozedur unterzogen und so Kennlinien für die spektralen Signale der verschiedenen Elemente gewonnen, aus denen wir die tatsächlichen Konzentrationen berechnen können. Auch die Detektionsschwelle für jedes untersuchte Element konnte so ermittelt werden. So konnte ein Zusammenhang zwischen den Konzentrationsverhältnissen der Elemente und der Struktur der Feinstaubmatrix gezeigt werden. Details dazu finden sich in unseren Publikationen. Die exakte Zusammensetzung des Feinstaubs wird durch verschiedene Prozesse während des Verbrennungsvorgangs und der Abgasnachbereitung bestimmt. Während dieser komplexen Vorgänge akkumulieren unterschiedliche chemische Elemente im Feinstaub, wobei dies durch diverse Umstände beeinflusst wird, wie etwa: Typ und Größe des Motors, Betriebsbedingungen, Typ und Qualität des Kraftstoffs, Kraftstoffzusätze, Schmiermittel und natürlich die Abgasnachbereitung.