08.01.2014 - Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Kleinsten Abgas-Partikeln auf der Spur

Die gute Nachricht vorweg: Strengere Grenzwerte haben den Ausstoß von Dieselruß aus Kraftfahrzeugen in den vergangenen 20 Jahren drastisch gesenkt: von 180 mg pro Kilometer auf heute 5 mg – festgelegt in der Euro-Norm 5. Bei der Messung dieser reduzierten Mengen, die auch noch in Form von wesentlich kleineren und damit lungengängigeren Partikeln emittiert werden, stoßen im Rahmen der Abgasuntersuchung (AU) eingesetzte Werkstatt-Messgeräte jedoch mittlerweile an ihre Grenzen. Abhilfe könnten neue Verfahren zur Dieselruß-Detektion schaffen, wie etwa Streulicht-Messverfahren. Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben daher für die Validierung und Charakterisierung neuer Streulicht-Messverfahren einen neuartigen hochstabilen Rußgenerator entwickelt. Dieser wird auch eingesetzt, um vor der Markteinführung der neuen Sensoren letzte wissenschaftliche Grundlagen zu klären, die für die Eichfähigkeit benötigt werden.

Mit neu entwickelten Partikelmessgeräten, die neben dem Trübungskoeffizienten auch die Partikelmassenkonzentration von Rußteilchen erfassen, lässt sich Dieselabgas mit einer bis zu 100-fach höheren Empfindlichkeit messen als mit den 1993 in den Werkstätten eingeführten „Opazimetern“. So lassen sich nun auch geringste Konzentrationen feinster Partikel messen. Zu diesem Schluss kommt ein gemeinsames Forschungsprojekt von PTB und ASA, dem Bundesverband der Hersteller und Importeure von Automobil-Service-Ausrüstungen e. V. Da die Abgasuntersuchung eine hoheitliche Aufgabe ist, darf sie nur mit (nach EO 18.9) zugelassenen Messgeräten durchgeführt werden. Die PTB bereitet daher die Bauartzulassung neuer Partikelmessgeräte vor, was dann die Möglichkeit für den Einsatz in Werkstätten eröffnet.

Um die wissenschaftlichen Grundlagen für eine Bauartzulassung für die Partikelmessung zu schaffen, haben PTB und ASA im Jahr 2010 ein gemeinsames Forschungsprojekt mit dem Ziel gestartet, die Beziehung zwischen Abgastrübung und Partikelmassenkonzentration zu ermitteln. Dies ist erforderlich, um die Vergleichbarkeit zwischen zwei unterschiedlichen physikalischen Messmethoden wie Opazimeter und Laser-Streulicht-Messverfahren herstellen zu können. Hierfür wurde in der PTB eine weltweit bisher einmalige Prüfanlage entwickelt, mit der sich die verschiedenen Messprinzipien unter hochstabilen und präzise einstellbaren Bedingungen sehr genau vergleichen lassen. Kernstück der Prüfanlage ist ein verbrennungsbasierter, mit Propangas betriebener Ruß-Generator, mit dessen Hilfe ein hochstabiles Rußaerosol erzeugt werden kann, das Trübungskoeffizienten von 0,003 m-1 bis 3 m-1 und mittlere Rußpartikeldurchmesser von 60 nm bis 220 nm abdeckt.

Die bisher für die Dieselrußmessung verwendeten Opazimeter arbeiten nach dem sogenannten Transmissionsverfahren, bei dem die Gasprobe in eine Messzelle geführt und von einer Lichtquelle durchleuchtet wird. Der Sensor ermittelt also, wie viel Licht die Gasprobe absorbiert. Daraus berechnet sich der Trübungsgrad bzw. Trübungskoeffizient, der gesetzlichen Vorgaben unterliegt (EO 18.9). Im Vergleich dazu sind Streulichtverfahren deutlich empfindlicher. Hier bestrahlt ein Laserstrahl die Aerosolprobe in der Messzelle. Mehrere seitlich angeordnete Detektoren, teilweise unter verschiedenen Raumwinkeln, erfassen die Lichtstreuung durch Rußpartikel und wandeln diese Informationen in ein elektrisches Signal um. Daraus berechnet das Messgerät schließlich mithilfe der im Projekt bestimmten Korrelation den Trübungskoeffizienten sowie auch die Partikelmassenkonzentration.

In den kommenden Monaten sollen noch offene Fragen hinsichtlich der Eichfähigkeit, der Verschmutzungsanzeige und der Reinigung der Messtechnik geklärt werden. Für alle diese Fragen gibt es bereits Lösungsansätze von Seiten der Gerätehersteller. Sobald die Bauartzulassung der Streulichtgeräte erreicht ist, können sie in Werkstätten zur Abgasuntersuchung verwendet werden. Für die abschließende Untersuchung zur Bauartzulassung stehen Partikelmessgeräte von AVL Ditest, Bosch, Saxon-Junkalor und MAHA zur Verfügung.

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