DE10124235B4 - Verfahren und Vorrichtung zur umfassenden Charakterisierung und Kontrolle des Abgases und der Regelung von Motoren, speziell von Verbrennungsmotoren, und von Komponenten der Abgasnachbehandlung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur umfassenden Charakterisierung und Kontrolle des Abgases und der Regelung von Motoren, speziell von Verbrennungsmotoren, und von Komponenten der Abgasnachbehandlung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Art, der Zusammensetzung und/oder der Konzentration in Form von Anzahl-, Massen- und/oder Volumenkonzentration der einzelnen festen, flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten motorischer Abgase im Abgasstrang hinter dem Motor im Rohzustand oder im konditionierten und/oder verdünnten Zustand oder hinter Komponenten der Abgasnachbehandlung , wobei zur Bestimmung die durch Anregung mit einem Laser, einer Laserdiode oder einem Diodenlaser im Untersuchungsbereich erzeugte Raman-Strahlung detektiert und verwendet wird.

Description

  • Zur Erfüllung zukünftiger Abgasvorschriften werden Meß-, Kontroll- und Regelungssysteme benötigt, die die vorgegebenen Abgasgrößen erfassen und deren Einhaltung kontrollieren sowie auch möglichst das Verbrennungssystem und/oder oftmals nachgeschaltete Komponenten der Abgasnachbehandlung, z.B. Katalysator- oder Filtersysteme, mit diesen Meß- oder Kontrollwerten auf die angestrebten Emissionen hin regeln oder im Regelsystem die entsprechenden Regelgrößen bereitstellen können. Derartige, möglichst das Abgas umfassend charakterisierende, d.h. weitestgehend gleichzeitig alle gasförmigen, flüssigen und festen Bestandteile erfassende Systeme werden zukünftig vermehrt eingesetzt in den Entwicklungslabors und Prüfständen der Automobilindustrie und ihrer Zulieferer, in den Servicezentren (z.B. vergleichbar heutigen Bosch-Untersuchungszentren) und zumindest in Teilbereichen auch im Kraftfahrzeug selbst, z.B. als Teil eines On-Board-Diagnostics (OBD)-Systems. Neben der Überprüfung, Verbesserung und Regelung des Verbrennungsmotors über Messungen im Rohabgas können diese Systeme gleichermaßen auch für isoliert stehende oder eingebaute Komponenten der Abgasnachbehandlung durch Messungen vor und/oder hinter den jeweiligen Komponenten genutzt werden, z.B. den Katalysatoren zur Behandlung der gasförmigen und/oder partikelförmigen Abgaskomponenten oder den entsprechenden Filtersystemen, so z.B. auch zur Kontrolle und Regelung des Regenerationsprozesses von Partikelfiltern.
  • Gegenstand der Erfindung ist die einzelne, speziell aber auch die gemeinsame Nutzung unterschiedlicher optischer, meist laser-, laserdioden- oder diodenlaserbasierter Meßverfahren zur Charakterisierung des Abgases und für die Charakterisierung des Abgases wichtiger Einzelkomponenten und die Zusammenstellung von Vorrichtungen, die diese Meßverfahren zielgerecht zusammenfügen. Manche der Verfahren sind bereits für die einzelne Aufgabe bekannt oder erprobt, jedoch noch nicht in dieser Kombination mit anderen Verfahren gleichzeitig eingesetzt. Andere Verfahren sind in dem hier vorgegebenen Anwendungsbereich auch einzeln noch nicht genutzt und stellen so auch in der Einzelnutzung bereits eine eigenständige Erfindung dar.
  • Motorische Abgase bestehen aus gasförmigen Komponenten (z.B. Sauerstoff, unverbrandte Kraftstoffkomponenten wie Kohlenwasserstoffe oder Wasserstoff selbst, Kohlenmonoxid und -dioxid, Stickstoffmonoxid, -dioxid und N2O, Schwefelverbindungen etc.) und Partikeln, die flüssig (z.B. als Kondensate wie Wasser, Schwefelsäure etc. oder Wasserlösungen, z. B. Harnstoff-Wasser-Lösungen in Verbindung mit Katalysatorsystemen) oder fest (z.B. Ruß, Metallverbindungen, Asche etc.), oftmals auch mit organischen Ablagerungen oder z.B. auch Ablagerungen von Schwefelverbindungen darauf, vorliegen können. Für die Erfassung und Charakterisierung dieser unterschiedlichen Komponenten werden in dieser Erfindung unterschiedliche Meßverfahren benannt und zum Teil kombinativ und gleichzeitig eingesetzt.
  • Feste Partikel des Abgases sind zum einen Ruß (reiner Kohlenstoff), der mit Hilfe der laserinduzierten Glühtechnik (auch „laser-induced incandescence" (LII) genannt) umfassend ( DE 196 06 005 C1 ) und auch gleichzeitig ( DE 199 04 691 A1 ) hinsichtlich seiner Volumen- oder Massenkonzentration, seiner Primärteilchengröße, seiner Aggregatgröße und daraus ableitbarer Größen charakterisiert werden kann. Dieses Verfahren wird hier erfindungsgemäß erstmalig in Verbindung mit einzelnen oder auch mehreren anderen in dieser Erfindung benannten Meßverfahren eingesetzt. Der hier zur Anregung der thermischen Teilchenstrahlung eingesetzte Laser (oder Diodenlaser) bzw. die dazu verwendete Laserdiode wird gleichzeitig oder zeitlich hintereinander auch als Anregungslichtquelle für einzelne oder auch mehrere der anderen Meßverfahren genutzt. Alternativ kann parallel dazu mit gleichem Strahlengang in das Meßvolumen oder auch räumlich versetzt dazu in einem oder mehreren anderen Strahlengängen in das Meßvolumen eine oder mehrere andere Anregungsstrahlquellen eingesetzt werden. Die Detektion des LII-Signales kann zeitlich zu den Meßsignalen einzelner oder auch aller anderer Verfahren versetzt mit teilweise gleichem Detektionsstrahlengang, in dem verfahrensbedingt für die anderen Meßverfahren in Teilzweigen des Registrierstrahlenganges andere optische Komponenten eingebunden sein können, oder auch gleichzeitig unter Nutzung verschiedener Detektionsstrahlengänge erfolgen, wobei alle oder auch einzelne dieser Detektionsstrahlengänge in Rückstrahlrichtung relativ zur Einstrahlrichtung ausgeführt sein können, aber auch jede andere zur Einstrahlrichtung winkelig angeordnete Richtung haben können, wobei bei manchen Verfahren systembedingt eine 90- oder 180-Grad-Anordnung vorteilhaft ist. Die Erfassung der Meßsignale der unterschiedlichen Verfahren in ausgewählten, zum Teil auch unterschiedlichen Spektralbereichen erfolgt über wellenlängenselektive optische Komponenten, z.B. Filter, Spektrometer, Monochromatoren etc., mit Photomultipliern, Fotodioden, Streak-, CCD-Kameras oder ähnlichen optoelektronischen Komponenten, die aus optischen Meßsignalen elektrische Signale erzeugen können, die weiterverarbeitet zur Darstellung der Meßsignale, zur Datenverabeitung und/oder auch direkt für Regelungszwecke genutzt werden können. In den 1 bis 3 sind vorrichtungsgemäß und schematisch beispielhaft für drei unterschiedliche Meßverfahren drei mögliche Anordnungen dargestellt für eine hauptsächliche Rückstrahl- (1), eine 90-Grad- (2) und eine 180-Grad-Anordnung ( 3). Insbesondere können für Messungen im Abgas vorteilhaft die in der DE 199 04 691 A1 beschriebenen Rohrsegmente eingesetzt werden, die dort alle für den LII-Sensor wesentliche Merkmale integrieren und in dieser Erfindungen gleichzeitig auch die wesentlichen Merkmale der anderen Verfahren mit integrieren.
  • Die anderen, jeweils einzeln oder auch in Verbindung mit der LII-Technik oder miteinander gleichzeitig oder zeitlich nacheinander einzusetzenden Meßverfahren charakterisieren andere Komponenten des motorischen Abgases.
  • Feste Komponenten des Abgases sind weiterhin Partikel verschiedener Metalle, teilweise in weitestgehend reiner Form, als Metalloxide oder als Metallverbindungen anderer Art, Siliziumverbindungen und Asche. Eine Charakterisierung, z.B.
  • Identifikation und Konzentration der einzelnen Bestandteile, ist z.B. über die laserinduzierte Ionisations-Spektroskopie (LIS) – in der wissenschaftlichen Fachliteratur in spezieller Ausgestaltung bei Nutzung hochtemperierter Plasmen oftmals und so auch nachfolgend mit Laserinduzierte Breakdown- Spektroskopie (LIBS) bezeichnet – möglich, bei der über die Lasereinwirkung Teile des Partikels oder das Partikel vollständig verdampft und teilweise ionisiert wird. Im speziellen geschieht dies bei LIBS dadurch, daß bei Einstrahlung einer extrem hohen Leistungsdichte von über hundert MW/cm2 ein Hochtemperatur-Mikroplasma hoher Elektronendichte erzeugt wird mit Temperaturen von vielen tausend Grad, bei denen jedes Material zerbrochen, verdampft und ionisiert wird. Die nachfolgende Strahlung ist zunächst breitbandig (vom Röntgenbereich bis zum Infraroten), nach einem kurzen Zeitversatz – bei heruntergekühltem Plasma mit neutralen Atomen in angeregten Zuständen – speziesselektiv bezüglich der vorhandenen Atome (z.B. für Al, Ba, Ca, Co, Cr, Cu, Eu, Fe, Hg, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, Si, Sr, Ti, V, W und Zn in A. Ciucci u.a., Appl. Phys. B 63 (1996) 185-190 bzw. Cl in C. Haisch u.a., Fresenius J. Anal. Chem. 356 (1996) 21-26) und kann z.B. über Vergleiche mit aus der Literatur bekannten Spektren und/oder über Kolibrier- bzw. Labormessungen verschiedenen atomaren Komponenten zugeordnet werden. Auf diese Weise können auch Asche bzw. solche Ablagerungen (D.K. Ottesen, Twenty-Fourth Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute 992, S. 1579-1585) oder Ablagerungen auf den festen Partikeln identifiziert und ausgemessen werden. Die Lasernduzierte Breakdown- Spektroskopie (LIBS) wird hier erfindungsgemäß erstmalig zur Untersuchung des Abgases motorischer Verbrennungsprozesse bzw. des mittels Katalysatoren oder Filtern behandelten Abgases eingesetzt, was alleinig oder auch in Verbindung mit anderen Verfahren umgesetzt werden kann. Diese Technik stellt somit beispielhaft in gleichzeitiger Nutzung mit LII eines der Verfahren in den 1 bis 3 dar.
  • Der Ruß kann als festes Partikel gleichzeitig mit anderen festen Partikeln oder auch alleinig ebenfalls mittels der LIBS-Technik aufgenommen und ausgemessen werden. Diese Technik ist ebenfalls für die Charakterisierung flüssiger Partikel und gasförmiger Komponenten nutzbar.
  • Liegen die nachzuweisenden festen, flüssigen oder gasförmigen Komponenten in Mengen vor, die unterhalb der LIBS-Nachweisgrenze (ca. 100 ppb) angesiedelt sind, wird alternativ zu LIBS z.B. die Laser-Atomflucreszenz-Spektroskopie (LAFS) genutzt, die z.B. in V. Ebert u.a., tm-Technisches Messen 63 (1996) 268-277 mit der Bezeichnung ELIF (Excimerlaser-induzierte Fragmentierungsfluoreszenz) zum Alkalispurennachweis genutzt wurde und hier erfindungsgemäß entsprechend für derartig niedrige Nachweisgrenzen in motorischen Abgasen eingesetzt wird.
  • Flüssige Komponenten des Rohabgases hinter dem Motor und/oder des behandelten Abgases nach Komponenten der Abgasnachbehandlung können beispielsweise aus Wasser, Schwefelsäure, Salpetersäure oder Harnstoff-Wasser-Lösungen bestehen oder darin enthalten sein. Zur Untersuchung und Charakterisierung solcher Abgaskomponenten wird hier erfindungsgemäß erstmals die Laser-Raman-Streuung (LRS) in linearer (spontaner) bzw. auch nichtlinearer Form eingesetzt, alleinig oder in Verbindung mit LII und/oder eines oder mehrerer der anderen Verfahren. Sie wird angeregt über Laser (auch Diodenlaser) oder Laserdioden, wozu eine für dieses Verfahren eigene Anregungslichtquelle oder die Anregungslichtquelle der LII-Technik oder die eines anderen Verfahrens eingesetzt werden kann, wobei verfahrensspezifisch günstig möglichst kurze Anregungswellenlängen gewählt werden, wie z.B. die eines UV-Lasers für Messungen im Brennraum von Verbrennungsmotoren in DE 43 20 943 A1 , die z.B, aber auch durch eine Frequenzvervielfachung der Ausgangsstrahlung eines für ein anderes Verfahren ebenfalls eingesetzten Lasers realisiert werden kann. Das aufgrund der Wechselwirkung Licht-Molekül molekülspezifisch entsprechend der Raman-Verschiebung (G. Herzberg, Molecular Spectra and Molecular Structure, Band I bis III, Krieger Publ. Company, Malabar, FL, 1989 bzw. 1991; Band IV mit G. Huber, Van Nostrand, Princeton-New York, 1979; P.W.B. Pearse und A.G. Gaydon, The Identification of Molecular Spectra, Chapman and Hall, London 1976; B. Schrader, Hrsg., Infrared and Raman Spectroscopy, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1995) spektralverschobene Raman-Streulicht wird nach spektraler Selektion mittels z.B. Interferenzfiltern oder Spektrometern bzw. Monochromatoren Detektoren der oben genannten Art zugeführt, wobei sich günstig auswirkt, daß der für Gase relativ kleine Streuquerschnitt für Flüssigkeiten deutlich größer ist (A.
  • Weber (Hrsg.), Raman Spectroscopy of Gases and Liquids, Springer-Verlag, Berlin 1979, und darin speziell H.W. Schrötter und H.W. Klöckner, Raman Scattering Cross Sections in Gases and Liquids, s. 123 – 166) und diese Technik so erfindungsgemäß auch in meßtechnisch schwieriger Umgebung, wie es das motorische Abgas darstellt, eingesetzt werden kann. Dies kann einzeln oder in Verbindung mit anderen Techniken mit z.B. einem der in 1 bis 3 schematisch dargestellten Vorrichtungen geschehen, speziell günstig in einer Rechtwinkelanordnung (2) zwischen Einstrahl- und Detektionsrichtung. Die Spektrenauswertung und Ergebnisgewinnung erfolgt auf grundsätzlich gleichen Wegen, wie dies für die Gasphasen-Raman-Spektroskopie gegeben und beschrieben ist z.B. in A. Leipertz, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 1979; A. Leipertz, Habilitationsschrift, Ruhr-Universität Bochum, 1984 (S. 380 - 382 hinsichtlich einer Konzentrationsmessung), in DE 198 27 533 A1 Azur Bestimmung der Dampfphasenzusammensetz g in verdampfenden Einspritzsprays oder in DE 197 02 006 A1 zur Bestimmung des Heizwertes mittels Raman-Streuung. Wasser kann mit relativ breiten Vibrationsbanden so beispielsweise mit Raman-Verschiebungen um ca. 675, um ca. 1640 und um ca. 3400 Wellenzahlen ausgemessen werden, Schwefelsäure unter anderem über die SO4 2-Schwingung bei ca. 980 Wellenzahlen und Salpetersäure beispielsweise bei 1045 Wellenzahlen. Für diese Komponenten und auch andere von Interesse gibt es eine Vielzahl anderer, ebenfalls und/oder alternativ nutzbarer Raman-Verschiebungen, die in ihrer Anzahl mit zunehmender Komplexität des Moleküls entsprechend der zunehmenden Zahl möglicher Schwingungszustände zunehmen und die vielen Publikationen zur Raman-Spektroskopie und z.B. auch den oben genannten Büchern und Veröffentlichungen entnommen werden können.
  • Da Materie auch in fester Aggregatform und somit auch die festen Partikel des motorischen Abgases ramanaktiv sind, wird alternativ zu LIBS auch LRS – bzw. auch nichtlineare Formen der Raman-Streuung – zur Untersuchung der festen Partikel im motorischen Abgas erfindungsgemäß eingesetzt, wie dies z.B. zur Untersuchung der Chemie von Mikropartikeln von J.F. Widmann u.a., Trends in analytical chemistry 17 (1998) 339-345, erprobt wurde.
  • Für die über internationale Gesetze oder Gesetzesvorlagen limitierten gasförmigen Abgaskomponenten NOX, NO, NO2, N2O, CO, HC und auch z.B. H2O und NH3 gibt es kommerziell erhältliche Meßsysteme (z.B. auf Basis der Chemielumineszenztechnik, der Infrarot-Absorptionsspektroskopie, bevorzugt im nahen Infrarotbereich, z.B. auch als Fourier-Transformations-Infrarot (FTIR)-Analysatoren, als Flammenionisationsdetektoren etc,), die z.B. in R. Grisar u.a., tm – Technisches Messen 65 (1998) 412-418 bzw. in DE 40 03 176 A1 auch zur Untersuchung motorischer Abgase und in DE 42 35 225 A1 zur Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators eingesetzt wurden, die jedoch alle bisher nicht direkt im Abgasstrang – also im Grundsatz nur über Probenahmeprozeduren – und auch nicht in Verbindung mit Systemen der Partikeldetektion, wie es hier erfindungsgemäß erstmals eingeführt wird, genutzt wurden. Über die Raman-Streuung werden neben der Flüssigkeitsphase erfindungsgemäß hier auch die gleichen Komponenten gas- bzw. dampfförmig mit gleicher oder unterschiedlicher Raman-Verschiebung erfaßt und ausgemessen (Wasser z.B. mit einer Raman-Verschiebung von ca. 1595 oder ca. 3652 Wellenzahlen bzw. zusätzlich auch z.B. NH3 (z.B. mit einer Raman-Verschiebung von ca. 3334 Wellenzahlen) , SO2 (z.B. mit einer Raman-Verschiebung von ca. 519 und ca. 1151 Wellenzahlen) etc., und speziell die mit hohen Konzentrationen auftretende Komponenten. Alternativ dazu bzw. auch ergänzend und in Verbindung mit anderen Messverfahren zur Charakterisierung der gasförmigen, flüssigen und/oder festen Komponenten des Abgases wird in dieser Erfindung die Bestimmung und Ausmessung dieser gasförmigen Komponenten vorteilhaft mit durchstimmbaren Lasern, Laserdioden oder Diodenlasern durchgeführt, die über die Absorptionsspektroskopie im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich mehrere Komponenten mit . nur einer Absorptionslichtquelle zu untersuchen erlauben, oder mit unterschiedlichen, auf die jeweiligen Komponenten ausgewählten Absorptionslichtquellen (Laser(dioden)-Absorptionstechnik – LAT).
  • Zusätzlich wird auch Sauerstoff ausgemessen, um so z.B. eine Motorregelung entsprechend heutiger λ-Sonden mit einer über den ganzen Konzentrationsbereich arbeitenden λ-Sonde, z.B. entsprechend DE 195 41 516 A1 , durchzuführen.
  • Unabhängig von einer Vorrichtung nach 1-3 oder auch in Verbindung mit einer solchen wird bei den Absorptionstechniken eine Durchlichtanordnung zum Aufspannen der notwendigen Absorptionsstrecke eingesetzt, wobei zur Verlängerung der Absorptionsstrecke eine das Meßvolumen überstreichende, z.B. aus Reflexionsspiegeln aufgebaute, Multipass-Anordnung gewählt wird oder auch eine solche außerhalb des Abgas-Hauptstromes (z.B. in einer Bypass-Anordnung), wo alternativ auch einfache Meßküvetten entsprechender Länge Anwendung finden.
  • Mögliche Ausführungen erfindungsgemäß konzipierter Vorrichtungen sind beispielhaft in den 1 bis 3 dargestellt, in denen nur Vorrichtungen vorgestellt sind, in denen kombinativ gleichzeitig oder zeitlich zueinander versetzt mehrerer der oben genannten Verfahren eingesetzt werden. Vorteilhaft sind in den Vorrichtungen mit verschmutzungsvermeidende oder -minimierende Maßnahmen (z.B. luftgespülten , beheizten etc.) versehene optische Komponenten des Einstrahl- und Detektionsstrahlenganges in eine das Untersuchungsvolumen umfassende Vorrichtung (z.B. Ring- oder Kanalsegment), z.B. entsprechend DE 199 04 691 A1 , aufgenommen, durch die das Rohabgas und/oder vor- oder nachbehandelte Abgas ohne spezielle Verdünnung und auch unkonditioniert (z.B. gekühlt oder beheizt) strömen und dabei charakterisiert werden kann. Alternativ dazu können auch Vorrichtungen aufgebaut sein, in denen nur die lineare Raman-Streuung (LRS) zur Charakterisierung der flüssigen und/oder festen Partikel und/oder gasförmigen Komponenten des Abgases und/oder nur die Laserinduzierte Breakdown-Spektroskopie (LIBS) für die festen Partikel und/oder nur die Laser(dioden)-Absorptionstechnik (LAT) unter Nutzung durchstimmbarer Strahlungsquellen zur Erfassung der gasförmigen Abgaskomponenten eingesetzt werden, alleinig oder auch in Verbindung miteinander oder auch speziell mit der LII-Technik zur Erfassung der Rußgrößen.
  • 1 stellt eine solche Vorrichtung dar, bei der die Detektionsseite auf der gleichen Seite des Untersuchungsbereiches aufgebaut ist, auf der sich auch die Einstrahlseite befindet (Rückstrahlanordnung). Eine solche Anordnung hat den Vorteil, nur einen optischen Zugang zum Untersuchungsbereich zu benötigen. Als Anregungslichtquelle (1) dient ein Laser, ein Diodenlaser oder eine Laserdiode, der über einen optischen Strahlengang (2) seinen Anregungslichtstrahl durch einen optischen Zugang (4), der vorteilhaft mit einer verschmutzungsvermeidenden oder – vermindernden Vorrichtung versehen ist (z.B. Beheizung oder Luftspülung), in das Untersuchungsvolumen einstrahlt, das sich im Innern eines Rohr- oder Kanalsegmentes (5) befindet, das direkt in den Abgasstrang eingebaut werden kann und so ohne Konditionierung das Rohabgas bzw. das behandelte Abgas direkt ausmessen kann. Eine optische Einrichtung (3) vor dem Segmentzugang , z.B. eine Linse oder eine Kombination mehrerer Linsen, eine oder mehrere Lochblenden etc., kann den Strahlengang für den Untersuchungsbereich günstig beeinflussen, z.B. aufweiten oder fokussieren. Der Strahlengang (2) kann günstig auch mit Nutzung von Lichtleitfasern aufgebaut sein, vollständig zwischen Laser als Anregungslichtquelle (1) und optischen Zugang (4) oder duch nur in Teilbereichen davon.
  • Bei der Rückstrahlanordnung in 1 wird der Registrierstrahlengang (6), der ebenfalls teilweise oder vollständig aus Lichtleitfasern aufgebaut sein kann, auf gleicher Seite den Untersuchungsbereich, z.B. innerhalb des Rohr- oder Kanalsegmentes, verlassen, auf der auch die Einstrahlung erfolgt. Dies kann über den gleichen optischen Zugang erfolgen oder über einen solchen in direkter Nachbarschaft. Auch wird das Meßsignal im Registrier strahlengang (6) parallel zur Einstrahlung, gegebenenfalls sogar unter Nutzung des gleichen Strahlenganges (2), einer Detektoreinheit (8) zugeführt oder auch unabhängig davon. Bei Nutzung des gleichen Strahlenganges (2 und 6) wird ein weiteres optisches Element (10) in den Strahlengang plaziert, das den Signalstrahlengang von der Einstrahlung örtlich trennt und in Dichtung auf die Detektoreinheit hin umlenkt. Vor dem Detektor befindet sich eine verfahrensbedingt unterschiedliche optische Einheit (7), die z.B. bestehen kann aus Blenden, Linsen und speziell auch unterschiedlichen Filtern (Grau-, Interferenz- und/oder Kantenfilter) bzw. auch in Verbindung mit Spektrographen oder Monochromatoren, mit dessen Hilfe das Meßsignal entsprechend der angestrebten Signalinformation intensitätsmäßig und/oder spektral aufbereitet wird. Die Detektoreinheit (8) – z.B. ein oder mehrere Fotomultiplier, eine oder mehrere Fotodioden, eine oder mehrere CCD- oder Streak-Kameras oder auch Kombinationen mehrerer solcher opto-elektronischer Komponenten – verarbeitet das optische Signal zu einer elektrischen Information, die in einem elektronischen Verarbeitungssystem (9), z.B. einem Computer, einem Korrelator etc., weiterverarbeitet und aufbereitet wird zur Nutzung z.B. in Meß- und Regelkreisen innerhalb z.B. einer Prüfstandsperipherie, als Regelsystem auch z.B. in Verbindung mit einer On-Board-Diagnostics (OBD) im Fahrzeug selbst, wie dies z.B. unter Nutzung anderer Methoden für niedrig emittierende Kraftfahrzeuge in DE 197 53 006 A1 und DE 198 26 179 A1 angedeutet ist.
  • In 1 sind beispielhaft drei unterschiedliche Meßverfahren vorrichtungsgemäß in einer Anordnung verknüpft, wobei die oben genannten Techniken LIBS, LAF und LRS mit der LII-Technik verknüpft sein können bzw. anstelle von LIBS, LAF oder LRS auch LAT, sofern sich der Ausgang einer verwendeten Multi-pass-Einrichtung auf der Einstrahlseite befindet (für LAT benötigt man im allgemeinen zumindest eine Durchstrahlrichtung nach 3). Bei geeigneter Wahl der Anregungslichtquelle (1) können alle Meßverfahren von nur einer Lichtquelle bedient werden oder alternativ auch mit unterschiedlichen, für das jeweilige Verfahren speziell optimierten Einstrahllichtquellen (1A und 1B zusätzlich). Gleiches gilt für die genutzten Einstrahl- (2, 2A, 2B) und Registrierstrahlengänge (6, 6A, 6B), die Detektoreinheiten (8, 8A, 8B) sowie die davor plazierten optischen Elemente (7, 7A, 7B). Werden alle drei Verfahren mit eigenen Strahlengängen versehen und können für Einstrahlung und Signaldetektion die gleichen Strahlengänge genutzt werden, sind in jedem einzelnen davon trennende und gegebenenfalls auch umlenkende optische Elemente (10, 10A, 10B) aufzunehmen. Solche Elemente werden auch verwendet zur Trennung unterschiedlicher Signalstrahlen, wenn diese den gleichen Strahlengang vom Untersuchungsobjekt her verwenden.
  • 2 zeigt alternativ zu 1 eine Vorrichtung, in der hier beispielhaft wieder für drei unterschiedliche Techniken Einstrahl- und Registriestrahlengang eine 90-Grad-Anordnung bilden. Die Beschreibung von 1 ist mit allen Aussagen und Folgerungen vollständig auf 2 übertragbar, nur daß hier vorrichtungsbedingt die Elemente 10A und 10B nicht mehr Einstrahlung und Signalstrahl voneinander trennen, sondern hier nur unterschiedliche Signalstrahlengänge entsprechend den unterschiedlichen Meßverfahren.
  • Gleiches gilt für 3, wo eine Vorrichtung schematisch dargestellt ist, in der der Signalstrahlengang hinter dem Untersuchungsvolumen, also der Einstrahlseite gegenüber, aufgebaut ist (also als 180-Grad- oder Durchstrahlanordnung). Eine solche Anordnung bietet die einfachste Möglichkeit zur kombinativen Einbeziehung des LAT-Verfahrens.
  • Es sind neben den in den 1-3 schematisch dargestellten Vorrichtungen auch alle möglichen Kombinationsformen hinsichtlich der Lage von Einstrahl- und Registrierstrahlengang relativ zum Untersuchungsbereich und zueinander für alle benannten Meßverfahren getrennt ausführbar, wobei für einzelne und/oder alle benannten Meßverfahren auch andere Winkelanordnungen, außer 0-, 90- und 180-Grad, wählbar sind.
  • 4 zeigt schematisch eine mögliche Anwendung der Erfindung bei der Untersuchung und Charakterisierung eines motorischen Abgases im Rohzustand hinter dem Abgaskrümmer eines Motors (41) und vor z.B. einem ersten Katalysator (42), z.B. einem Oxidation katalysator, an Meßstelle (45), des behandelten Abgases hinter dem Katalysator (42) an Meßstelle (46) und an Meßstelle (47) vor z.B. einem Partikelfilter (43) – Meßstellen (46) und (47) könnten auch nur eine Meßstelle darstellen – und hinter diesem an Meßstelle (48), die wiederum gleichzeitig oder getrennt in mehrere Meßstellen auch z.B. vor einem zweiten Katalysator (44) einem NOX-Speicherkatalysator plaziert sein kann Hinter diesem Katalysator (44) befindet sich dann z.B. eine weitere Meßstelle (49), von der – wie von allen anderen Meßstellen auch – die Meßinformation der Prüfstandsperipherie oder der Zentraleinheit eines OBD-Systems (41C) weitergegeben wird, die dann z.B. im letzteren Falle auch aktiv auf den Motorbetrieb bzw. die einzelnen Komponenten der Abgasnachbehandlung Einfluß nehmen kann. Diese Grundsätze sind auf jedes andere Abgassystem, unabhängig von seiner jeweiligen Zusammensetzung und unterschiedlich für otto- und dieselmotorische Anwendungen, übertragbar. In diesem Falle könnte z.B. an der Meßstelle (45)eine Vorrichtung mit LII, LIBS, LRS und LAT (speziell λ) angebracht sein, an den Meßstellen (46) und (47) solche mit LAT und/oder LRS und LII bzw. auch LIBS, eventuell alternativ zu (45), an Meßstelle (48) LAT (speziell λ), LII und LIBS (und/oder LRS) und an Meßstelle (49) LAT (unter anderem speziell auch NH3) und LRS. Viele andere Zusammenstellungen und Kombinationen sind sinnvoll und möglich Manche der Meßstellen werden in Verbindung mit einem Sensor zur Erfassung der Abgastemperatur ausgestattet, welcher im LII-Sensor bereits enthalten ist ( DE 199 04 691 A1 ).

Claims (15)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Art, der Zusammensetzung und/oder der Konzentration in Form von Anzahl-, Massen- und/oder Volumenkonzentration der einzelnen festen, flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten motorischer Abgase im Abgasstrang hinter dem Motor im Rohzustand oder im konditionierten und/oder verdünnten Zustand oder hinter Komponenten der Abgasnachbehandlung , wobei zur Bestimmung die durch Anregung mit einem Laser, einer Laserdiode oder einem Diodenlaser im Untersuchungsbereich erzeugte Raman-Strahlung detektiert und verwendet wird.
  2. Verfahren zur Bestimmung der Art, der Zusammensetzung und/oder der Konzentration in Form von Anzahl-, Massen- und/oder Volumenkonzentration der einzelnen festen, flüssigen und/oder gasförmigen Komponenten motorischer Abgase im Abgasstrang hinter dem Motor im Rohzustand oder im konditionierten und/oder verdünnten Zustand oder hinter Komponenten der Abgasnachbehandlung , wobei zur Bestimmung die durch Anregung mit einem Laser, einer Laserdiode oder einem Diodenlaser im Untersuchungsbereich erzeugte Strahlung in Form der Laserinduzierten Breakdown Spektroskopie (LIBS) detektiert und verwendet wird.
  3. Verfahren zur Bestimmung der Art, der Zusammensetzung und/oder der Konzentration in Form von Anzahl-, Massen- und/oder Volumenkonzentration der einzelnen festen und/oder flüssigen Komponenten motorischer Abgase im Abgasstrang hinter dem Motor im Rohzustand oder im konditionierten und/oder verdünnten Zustand oder hinter Komponenten der Abgasnachbehandlung , wobei zur Bestimmung die durch Anregung mit einem Laser, einer Laserdiode oder einem Diodenlaser im Untersuchungsbereich erzeugte Atomfluoreszenzstrahlung detektiert und verwendet wird.
  4. Verwendung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 3 zur Untersuchung der Tröpfchen des Abgases, die aus den Komponenten Wasser, Schwefelsäure oder Salpetersäure in reiner Form oder aus Mischungen daraus oder auch mit anderen Komponenten bestehen und/oder Wasserlösungen, insbesondere Harnstoff-Wasser-Lösungen.
  5. Verwendung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 3 zur Untersuchung der festen Partikel des Abgases, die insbesondere aus Ruß, Metallen, Metalloxiden und anderen Metallverbindungen, Siliziumverbindungen und Asche bestehen.
  6. Verwendung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 3 zur Untersuchung der gasförmigen Komponenten des Abgases, insbesondere der Abgaskomponenten NOX, NO, NO2, N2O, CO, HC, O2, H2O und NH3.
  7. Verwendung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 – 3 oder Verwendung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 – 6 zur Charakterisierung und Kontrolle des Abgases und der Regelung von Motoren, insbesondere von Verbrennungsmotoren, und von Komponenten der Abgasnachbehandlung, vorzugsweise in Verbindung mit der laserinduzierten Glühtechnik und/oder der laser- oder laserdioden- oder diodenlaserbasierten Absorptionsspektroskopie.
  8. Verwendung nach Anspruch 7 in gleichzeitiger oder zeitlich versetzter Durchführung der einzelnen Bestimmungen.
  9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 – 3 mit mindestens einer Anregungslichtquelle zur Erzeugung von Anregungslicht, optischen Einrichtungen im Anregungsstrahlengang zur Lenkung des Anregungslichtes zu einem optischen Zugang eines Rohr- oder Kanalsegmentes im Abgasstrang, mit optischen Einrichtungen im Registrierstrahlengang zur Lenkung der im Untersuchungsbereich erzeugten Strahlung zu mindestens einer optischen Detektoreinheit , wobei der Registrierstrahlengang in Rückstrahlanordnung, in einer zur Anregungsstrahlung rechtwinkligen Anordnung, in einer Durchstrahlanordnung und/oder in einer für das jeweilige Verfahren geeigneten Winkelanordnung ausgeführt ist, und einem elektronischen Verarbeitungssystem der von den Detektoren abgegebenen Signale.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Untersuchungsbereich innerhalb einer das Abgas umschließenden, im Querschnitt angepaßten oder variablen Vorrichtung, vorzugsweise eines Rohr- oder Kanalsegmentes, plaziert ist, die nur unbedeutende oder auch keinerlei weitere Modifikation des Abgasstranges erfordert und die optischen Zugänge, die alle oder auch nur einzelne davon mit einer verschmutzungvermeidenden oder verschmutzungsmindernden Vorrichtung, vorzugsweise einer Beheizung oder Luftspülung, versehen sind, beinhaltet.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen Einstrahllinsen, Linsenkombinationen, Blenden, Interferenz-, Grau- oder Kantenfilter, Spektrografen, Monochromatoren oder Lichtleitfasern enthalten.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 – 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Detektoreinheiten einen oder mehrere Fotomultiplier, Fotodioden, CCD- oder Streak-Kameras oder auch ihre Kombination beinhalten.
  13. Verwendung einer oder mehrerer Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 9 – 12 zur Untersuchung des Rohabgases und/oder des konditionierten und/oder des durch Komponenten der Abgasnachbehandlung, vorzugsweise Katalysatoren und/oder Filtern unterschiedlichster An, behandelten Abgases von Motoren, vorzugsweise von Verbrennungsmotoren.
  14. Verwendung einer oder mehrerer Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 9 – 12 zur Untersuchung, Kontrolle und/oder Regelung der Arbeitsweise von Komponenten der Abgasnachbehandlung, vorzugsweise von Katalysatoren und/oder Filtern unterschiedlichster Art, auf Prüfständen oder im oder am Fahrzeug.
  15. Verwendung einer oder mehrerer Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 9 – 12 zur Kontrolle und/oder Regelung des aus Motor und Abgasnachbehandlung bestehenden Gesamtsystems auf Prüfständen oder im Fahrbetrieb, vorzugsweise in Verbindung mit oder als Teil einer On-Board-Diagnostik.
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