title: Infrarot- und Massenspektrometer-System für die dynamische Messung von Motorabgasen
title: Infrared and mass spectrometer system for dynamic measurement of combustion engine exhaust gas
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Schomann, Lars
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2013
Subjects: subject: Massenspektrometer
subject: Infrarotspektrometer
subject: Verbrennungsmotor
subject: Abgas
subject: Schadstoffe
subject: mass-spectrometry
subject: infrared-spectrometry ,engine
subject: exhaust
subject: pollutants
classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften
classificationCode: 620
subject: Engineering and allied operations
classificationCode: 50.21
subject: Messtechnik
subject: Massenspektrometer
subject: Infrarotspektrometer
subject: Verbrennungsmotor
subject: Abgas
subject: Schadstoff

description: Um der Zunahme von Schadstoffemissionen durch den stetig wachsenden motorisierten Individualverkehr in Industrienationen entgegenzuwirken, werden seitens der Gesetzgeber Emissionsgrenzwerte regelmäßig verschärft. Automobilhersteller sind daher gefordert, immer effizientere und schadstoffärmere Fahrzeuge zu entwickeln. Konventionelle Abgasmesstechniken stoßen bei aktuellen Fragestellungen an ihre Grenze, wenn neben O2, CO2, CO, NOX und Gesamt-HC weitere Stoffe gemessen, oder mit einer hohen Messfrequenz transiente Vorgänge abgebildet werden müssen. Durch den Einsatz zusätzlicher, spezieller Einkomponenten-Messsysteme wird die bereits hohe Komplexität der konventionellen Abgasmessanlagen weiter gesteigert. Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung gerätetechnischer und methodischer Aspekte eines mobilen, universellen und dynamischen Abgasmesssystems, das die bei- den an Prüfständen etablierten Mehrkomponenten-Messsysteme Massenspektrometer und Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer integriert. Dazu wurden Analysatoren speziell für diese Anwendung modifiziert und optimiert, eine gemeinsame Probenahme ausgelegt und eine entsprechende Softwarestruktur realisiert. Es sind Methoden untersucht worden, mit denen das hybride Messsystem optimal für unterschiedliche Anwendungen einzustellen ist, durch parallele Messungen der Verbrennungsprodukte CO2 und H2O sowie weiterer Stoffe die Systemstabilität gesteigert und der Kalibrieraufwand minimiert wird. Argon kann dabei als eine Art interner Standard zur Einstellung und Stabilisierung des Massenspektrometers genutzt werden. Messungen im Labor sowie an Otto- und Dieselmotoren zeigen, dass limitierte und nicht- limitierte Schadstoffe sowie weitere Abgaskomponenten ab Konzentrationen von ca. 1 ppm mit bis zu 20 Hz gemessen werden können. Als beispielhafte Anwendungen werden die Messung der Abgas-Hauptkomponenten, die Differenzierung von Kohlenwasserstoffen, das Verhalten von Stickoxiden und Ammoniak am SCR-Katalysator, der Nachweis von Wasserstoff im Ottoabgas sowie die Bestimmung des Abgasmassenstroms mittels Helium als Tracergas aufgezeigt. Mit dieser Arbeit wird gezeigt, dass das hybride Abgasmesssystem viele Vorzüge gegenüber der konventionellen Abgasmesstechnik hat. Die höhere Messfrequenz sowie das viel breitere Spektrum messbarer Stoffe eröffnen einen sehr großen Einsatzbereich, und der geringere Kalibrieraufwand sowie die kompakte Bauweise erlauben einen effizienten Routinebetrieb. Es kann für aktuelle und zukünftige Fragestellungen der Abgasmesstechnik, aber auch außerhalb dieses Anwendungsgebiets gewinnbringend eingesetzt werden.
description: Due to growing individual transport in industrial countries and associated increase in pollutant emissions, legislature toughens emission standards regularly. Automakers are therefor challenged to develop ever more efficient low-emission vehicles to take account of the public climate debate and effects of pollutants on humans and nature. Conventional exhaust gas measurement systems are limited when it comes to measuring gases other than O2, CO2, CO, NOX and total-HC or when high measurement frequencies are of the essence to resolve transient processes. Additional specialized single component measurement systems increase the already high complexity of conventional exhaust emission measurement devices. Topic of this work was the study of all aspects of a mobile, versatile and dynamic exhaust gas measurement system, which integrates the multi component measurement systems mass spectrometer and Fourier-Transform infrared spectrometer. Analyzers were specifically modified and optimized for this application, a common sampling system was designed, and a corresponding software structure was realized. Methods were researched for the optimal adjustment of the system to different applications and for increasing system stability as well as minimizing calibration effort by measuring combustion products like CO2 and H2O and other components with both analyzers in parallel. Additionally Argon is used as some kind of internal standard to adjust and stabilize the mass spectrometer. Measurements in the laboratory and on gasoline and diesel engines show, that limited and non-limited as well as other exhaust gas components can be detected in concentrations down to 1 ppm and with up to 20 Hz. As exemplary applications the measurement of all main exhaust gas components, the differentiation of hydro carbons, the behavior of nitrogen oxides and ammonia on a SCR catalytic converter, the detection of hydrogen in gasoline engine exhaust and the determination of exhaust mass flow rate using Helium as tracer gas are demonstrated. This work shows the advantages of the hybrid measurement system over conventional exhaust emission measurement devices. Higher measurement frequency and much broader spectrum of detectable gas components open a very wide field of application. Lower calibration effort and compact design allow an efficient operation on a regular basis. It can be advantageous deployed to solve current and future problems in exhaust gas measurement as well as outside this field of application.