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Motivation

In jedem realen System treten bei der Verbrennung eines nur aus C- und H-Atomen bestehenden Brennstoffs als Produkte unweigerlich auch Bestandteile unvollständiger Verbrennung auf. Die meisten dieser Stoffe sind, aufgrund ihrer Gefährlichkeit für Mensch und Umwelt, vom Gesetzgeber als Schadstoffe klassifiziert. Die entsprechende EU-Verordnung (Nr. 715/2007/EG, Stichwort „Euro-Norm“) für Abgase von Kraftfahrzeugen sieht daher Emissionsgrenzwerte für Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Partikel und Stickstoffmonoxid (NO) sowie Stickstoffdioxid (NO₂) vor. Die Grenzwerte unterliegen seit ihrer Einführung einer ständigen Verschärfung. Von der Euro-5- zur aktuell gültigen Euro-6-Norm wurde insbesondere der Grenzwert für Stickoxide (NO_X) bei Dieselfahrzeugen stark reduziert, von 180 auf 80 mg/km. Zur Einhaltung müssen die Rohemissionen des Motors verringert oder die Stickoxide durch eine Nachbehandlung effizient aus dem Abgas entfernt werden. Selbstverständlich erfordern beide Ansätze in der Entwicklungsphase eine Methode zur Messung der NO_X-Konzentrationen im Abgas. Dafür bietet sich die „Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy“ (TDLAS) an – eine berührungsfreie laseroptische Messmethode. Mit TDLAS können hohe Zeitauflösungen und Sensitivitäten erreicht werden ohne dabei den betrachteten Prozess zu stören, wie dies bei extraktiven Verfahren der Fall ist.

Methode

Bei TDLAS wird eine einzelne Absorptionslinie der zu untersuchenden Spezies durch Verstimmen der Emissionswellenlänge eines Diodenlasers vollständig erfasst, woraus sich bei bekannten Spektraldaten die Absorberkonzentration entlang des Lichtpfades bestimmen lässt. Da sich NO und NO₂ teilweise ineinander umwandeln, müssen beide Moleküle getrennt betrachtet werden. Der Nachweis der hier relevanten Konzentrationen kann nur im mittleren infraroten Spektralbereich (MIR) erfolgen, da die Absorptionslinien der Stickoxide nur dort ausreichend stark sind. Um NO_X-Sensitivitäten von 100 ppm und weniger zu erreichen, wird die Absorptionslänge im Messvolumen unter Verwendung einer Multireflexionszelle vervielfacht. Die Herausforderung besteht darin, ein im MIR arbeitendes, glasfasergekoppeltes Spektrometer zu entwickeln, welches die nötige Robustheit für eine Abgasumgebung aufweist. Neben hohen Temperaturen treten dort unerwünschte Absorptionen auf, etwa durch Wasserdampf oder Rußpartikel.

Das Projekt wird gefördert durch die Fritz und Margot Faudi-Stiftung.