Zeitaufgelöste Laserinduzierte Inkandeszenz (TR-LII): Partikelgrößenmessung in einem Dieselmotor und einem Gasphasenreaktor

Zusammenfassung
Die Verminderung von unerwünschten Rußpartikelemissionen aus Dieselmotoren und die gezielte Produktion von Nanopartikeln bei der Erzeugung neuer Materialien sind gegenwärtig von großer wissenschaftlicher und technischer Bedeutung. Für beides werden Messverfahren benötigt, mit denen eine möglicht genaue Charakterisierung der Partikel bereits in der Bildungsphase möglich ist. Neben der chemischen Zusammensetzung und Konzentration ist dabei vor allem die Größe der Partikel von Interesse.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Anwendung der zeitaufgelösten laserinduzierten Inkandeszenz (TR-LII) zur Untersuchung der Größe und Größenverteilung von Rußpartikeln im Brennraum eines Dieselmotors sowie von Eisen-Nanopartikeln in einem Gasphasenreaktor. Das TR-LII-Verfahren beruht auf der zeitaufgelösten Detektion der thermischen Strahlung von Partikeln, die zuvor durch einen kurzen, energiereichen Laserpuls aufgeheizt wurden. Während die absolute Intensität der gemessenen Strahlungssignale proportional zur Volu¬menkonzentration der Partikel im umgebenden Gas ist, kann aus dem zeitlichen Verlauf der Signale die gesuchte Größeninformation bestimmt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das TR-LII-Verfahren zunächst in geeigneter Weise weiterentwickelt, um eine Anwendung auf die genannten Prozesse zu ermöglichen. Neben der Auswahl und Zusammenstellung der erforderlichen experimentellen Geräte wurde eine Auswertungsroutine zur Bestimmung von Partikelgrößenverteilungen aus gemessenen TR-LII-Signalen entwickelt.
Das so optimierte TR-LII-Verfahren wurde zur Messung der Größenverteilung und Volumenkonzentration von Rußpartikeln im Brennraum eines Einzylinder-Zweitakt-Dieselmotors eingesetzt. Der erforderliche optische Zugang zum Brennraum wurde über einen speziell konstruierten Zylinderkopf mit integrierten Glasfenstern realisiert. Es wurden TR-LII-Messungen im Brennraum bei verschiedenen Kurbelwinkeln während des Arbeitstakes des Motors durchgeführt und dabei in unterschiedlichen Versuchsreihen Motorlast und Einspritzbeginn variiert. Anhand der gemessen Größenverteilungen konnten Wachstum und anschließende Oxidation der Rußpartikel während eines Arbeitstaktes beobachtet werden. Mit steigender Motorlast zeigte sich ein linearer Anstieg der mittleren Rußpartikelgrößen. Durch einen Vergleich mit Partikelproben, die aus dem Abgas des Dieselmotors entnommen und am Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht wurden, konnte das entwickelte Auswertungsverfahren validiert werden. Schließlich wurden aus den Maximalwerten der gemessenen TR-LII-Signale die Volumenkonzentrationen der Rußpartikel ermittelt.
In weiteren Experimenten wurde das TR-LII-Verfahren zur Messung der Größenverteilung von Eisen-Nanopartikeln in einem wandbeheizten Rohrreaktor eingesetzt. Die Partikelsynthese erfolgte durch den thermischen Zerfall von Eisenpentacarbonyl in der Gasphase. Es wurden Betriebspunkte des Reaktors ausgewählt, bei denen kettenförmig agglomerierte Eisenpartikel entstehen. Deren Primärpartikelgröße wurde in einer TEM-Untersuchung bestimmt. Nahezu zeitgleich zur Probenentnahme wurden TR-LII-Messungen mit unterschiedlichen Laserpulsenergien durchgeführt. Die so ermittelten Partikelgrößen sind unabhängig von der Laserpulsenergie und zeigten eine gute Übereinstimmung zu den Ergebnissen der TEM-Untersuchung.
Die vorliegende Arbeit liefert die Basis für eine Anwendung des TR-LII-Verfahrens zur detaillierten Untersuchung der Partikelbildung und -oxidation auch in seriennahen Dieselmotoren. Damit ist ein gutes Werkzeug für die zukünftige Weiterentwicklung innermotorischer Maßnahmen zur Reduktion von Rußpartikelemissionen aus Dieselmotoren gegeben. Durch die erfolgreiche Anwendung des TR-LII-Verfahrens zur Größenmessung von Eisen-Nanopartikeln ist eine schnelle in-situ Möglichkeit zur Online-Kontrolle des Syntheseprozesses in Gasphasenreaktoren gegeben. Mögliche Schwankungen in der Partikelgröße können damit sofort erfasst werden.