Laserspektroskopische Spurenanalytik von Ölbestandteilen in Abgasen von Verbrennungsmotoren
Sellmeier, Stefan - Technische Universität München (2011)
Über die Jahrmillionen der Erdgeschichte hinweg hatte das Handeln der Menschen einen zu vernachlässigenden Effekt auf das Gesamtökosystem der Erde. Erst durch die zunehmende Industrialisierung und die stark steigende Weltbevölkerung der letzten 150 Jahre beeinflusste es zunehmend die Ökosysteme. Standen am Anfang der industriellen Entwicklung noch die neuen technologischen Errungenschaften und die damit verbundene Steigerung der Lebensqualität im Vordergrund, so erkannte man spätestens in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts auch die Schattenseiten dieser Entwicklung.
Großflächige Umweltverschmutzung, hohe Schadstoffbelastungen der Luft in Ballungszentren wie dem Ruhrgebiet und nicht zuletzt Katastrophen mit einem großen Schadstoffeintrag in die Umwelt und teilweise jahrzehntelanger Beeinträchtigung der ansässigen Bevölkerung, z. B. die Chemieunfälle von Seveso und Bhopal, ließen die Menschen auch die negativen Auswirkungen der Industrialisierung wahrnehmen. Mit der Umweltschutzbewegung der siebziger und achtziger Jahre entwickelte sich in Deutschland bereits früh die Einsicht, dass neben fortschrittlichen Technologien eine intakte Umwelt eine große Rolle für den Wohlstand und die Lebensqualität der Bevölkerung spielt. Da die Ziele des Umweltschutzes oft den ökonomischen Interessen zuwiderzulaufen scheinen, messen noch heute viele Länder dem Umweltschutz eine untergeordnete Rolle bei. Deutschland hingegen hat in diesem Punkt und bei der Entwicklung umweltfreundlicher Technologien eine weltweite Führungsrolle übernommen.
Die mit dem steigenden Straßenverkehr verbundenen Emissionen spielen, vor allem in den Ballungsräumen, eine entscheidende Rolle bei der Luftverschmutzung. So ließen sich vor der Einführung von Emissionsgrenzwerten ca. die Hälfte der Kohlenstoffmonoxid- und Stickstoffmonoxidemissionen auf den Straßenverkehr zurückführen. Mit Einführung der EURO-Abgasnormen wurden die Emissionsgrenzwerte für Pkws sukzessive verschärft. In der aktuellen, 5. Fassung sind die Grenzwerte bereits so stark gesenkt worden, dass sie nur noch mit aufwändigen Abgasreinigungsverfahren in geregelten Katalysatoren zu erreichen sind.
Das Verbrennungsverhalten des Kraftstoffes und die katalytische Nachbehandlung seiner Verbrennungsprodukte sind bereits gut untersucht, so dass eine ausreichende Schadstoffreduzierung mittels Katalysatoren möglich ist. Mit den sinkenden Grenzwerten gewinnen jedoch andere Schadstoffquellen zunehmend an Bedeutung. Die Hauptquelle für Emissionen, die nicht vom Kraftstoff verursacht werden, stellen hierbei das Motoröl und dessen Verbrennungsprodukte dar. Da hier sowohl die Zusammensetzung als auch das Zustandekommen der Emissionen weit weniger gut untersucht sind, ist auch eine entsprechende Schadstoffreduzierung im Katalysator deutlich schwieriger. Daher kommt der Kontrolle und dem Verständnis der Ölemissionen bei der Einhaltung aktueller und zukünftiger Abgasgrenzwerte eine entscheidende Bedeutung zu.
Ein Gerät zum Spurennachweis von Ölbestandteilen in Abgasen von Verbrennungsmotoren wurde bereits von Püffel im Rahmen seiner Dissertation entwickelt. Mit dieser Apparatur war es möglich, den Motorölverbauch schnell und zuverlässig zu messen, jedoch traten bei bestimmten Betriebspunkten mit hohen Abgastemperaturen teils erhebliche Messfehler auf.
Im Rahmen meiner Diplomarbeit habe ich die Mechanismen, welche zu den fehlerhaften Messungen führten, untersucht und aufgeklärt. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurde nun ein neues Nachweisverfahren zur schnellen Ölverbrauchsmessung entwickelt, welches auch bei hohen Motortemperaturen zuverlässig arbeitet. Neben der Entwicklung dieses Verfahrens und der umfangreichen Validierung unter Laborbedingungen wurde ein Prototypengerät gebaut, welches mobil ist und somit am Motorenprüfstand eingesetzt werden kann.