Dr.-Ing. Sani van der Kley

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Die Verknappung fossiler Brennstoffe fordert zum einen eine Steigerung der Effizienz von Verbrennungsprozessen, um dem anhaltend steigenden Energiebedarf gerecht werden zu können. Zum anderen müssen Verbrennungsvorgänge auch hinsichtlich ihrer Schadstoffemissionen optimiert werden, damit die Umweltbelastung minimiert wird.

Solche Optimierungen bedürfen der genauen Kenntnis der Temperaturen, Strömungsparameter und Spezieskonzentrationen innerhalb des Verbrennungsprozesses. In diesem Zusammenhang ist eine nicht intrusive, hochfrequente und quantitative Messmethode in der Verbrennungsdiagnostik von großer Bedeutung.

Neben diesen Forderungen bringt die TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) weitere Vorteile mit wie etwa einen kalibrationsfreien Betrieb und geringe Kosten durch die Nutzung von kommerziell verfügbaren Komponenten aus der Telekommunikationsindustrie.

Projektbeschreibung:

Bei der TDLAS wird das emittierte Laserlicht eines Diodenlasers durch das Messvolumen geleitet, wobei ein Teil des Lichtes aufgrund von Absorption durch das zu messende Molekül abgeschwächt wird. Unter Nutzung des Lambert-Beer Gesetzes kann aus der dem Signal aufgeprägten Abschwächung die absolute Konzentration der Spezies bestimmt werden. Die TDLAS ist eine sogenannte „ line-of-sight“ Messmethode, da die absolute Spezieskonzentration integral bezogen auf die Länge des Messpfades bestimmt wird. Somit erhält man eine eindimensionale Aussage über die Konzentration im Messvolumen. Für viele Anwendungen ist jedoch die räumliche Verteilung der Spezieskonzentration von größerer Relevanz.

Es ist Ziel dieses Projekts eine zweidimensionale Auflösung des Messvolumens durch einen tomographischen Aufbau mit mehreren Strahlen und die Auswertung mittels eines entsprechenden Rekonstruktionsalgorithmus zu ermöglichen.

Auf der einen Seite ermöglicht eine hohe Anzahl an Strahlen eine hohe Auflösung, welche gerade bei turbulenten Strömungen wünschenswert ist. Restriktionen stellen jedoch u.a. der hierzu benötigte Platz sowie die hohen Materialkosten und die notwendigen Rechenkapazitäten dar.

Eine Hauptaufgabe besteht deshalb darin eine optimierte Strahlenanordnung mit einer minimierten Anzahl von Strahlen zu erreichen, welche dennoch eine genügend hohe räumliche Auflösung bieten kann, um die relevanten Phänomene im Verbrennungsprozess interpretieren zu können.

Vorgehensweise:

Durch die immer strikter werdenden Emissionsgrenzwerte für Kraftfahrzeuge wurde die selektive katalytische Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) zur Senkung der Stickoxidemission in Dieselfahrzeugen eingeführt.

Bei dieser Form der Abgasnachbehandlung zur Minimierung von Stickoxiden kommt Ammoniak als verdünnte Harnstofflösung zum Einsatz, die dem Abgas vor dem Eintritt in den Katalysator zugeführt wird. Auf der einen Seite muss eine genaue Dosierung sichergestellt werden, damit möglichst alle Stickoxide aus dem Abgas reduziert werden. Auf der anderen Seite soll verhindert werden, dass durch eine Überdosierung Ammoniak noch nach dem Katalysator im Abgas vorhanden ist.

Im ersten Schritt soll daher für die Detektion von Ammoniak im Abgasstrang nach dem Katalysator ein tomographischer Aufbau mit angepasstem Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt werden.

Auf diese Weise kann eine Überdosierung der Harnstofflösung erkannt und die zuzuführende Menge angepasst werden. Anhand dieser Messdaten kann dann die für den Betriebspunkt benötigte Menge an Harnstofflösung optimiert werden.

Mithilfe der tomographischen Rekonstruktion kann darauf geschlossen werden, an welchen Stellen Ammoniak aus dem Katalysator austritt, um Informationen zur räumlichen Verteilung der Harnstofflösung zu gewinnen.