Absorptionsspektroskopie zur zeitaufgelösten Abgasmessung an Verbrennungsmotoren

Die vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Prüfzyklen zur Bestimmung der Emissionen von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor werden zunehmend dynamischer und berücksichtigen mittlerweile auch den praktischen Fahrbetrieb (Real Driving Emissions). Folglich ergeben sich gesteigerte Anforderungen an die entsprechende Abgasmesstechnik. In dieser Arbeit wird ein neuartiges in-situ-Sensorsystem zur Messung gasförmiger Abgaskomponenten beschrieben, basierend auf Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Diodenlaser (TDLAS). Die Methode ist hoch-selektiv und erfasst ausgewählte Linien im Infrarotspektrum der betrachteten Molekülspezies. Das entwickelte Sensorsystem wurde ausgelegt auf die Messung von Wasserdampf (H2O), Kohlenstoffdioxid (CO2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), deren spektrale Übergänge bei Wellenlängen zwischen 1,4 und 5,2 µm angeregt werden. Zusätzlich zur jeweiligen Konzentration wird über das H2O-Spektrum auch die Gastemperatur gemessen. Das System ist vollständig fasergekoppelt und kann über eine Klemmflanschverbindung im Abgastrakt installiert werden. Das in-situ-Messprinzip, kombiniert mit der schnellen Durchstimmbarkeit der Diodenlaser, erlaubt die zeitliche Auflösung einzelner Motorzyklen, was anhand von Messungen an einem Einzylinder-Forschungsmotor demonstriert werden konnte. An einem Mehrzylinder-Serienmotor wurde der entwickelte Sensor mit einer konventionellen Abgasmessanlage verglichen, wobei unter instationären Betriebsbedingungen deutliche Abweichungen festgestellt wurden. Perspektivisch kann der Sensor demnach sowohl bei dynamischen Emissionsmessungen als auch zur Untersuchung von Zyklus-zu-Zyklus-Schwankungen eingesetzt werden.