Ammoniak-Gassensor für AdBlu®-Steuerung

29.01.2021

Umweltschutz ist eine der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Diesen bei mindestens gleichbleibendem Lebensstandard zu gewährleisten erfordert neue innovative technologische Konzepte. Zur Verringerung des CO2-Ausstroßes im Bereich des Individualverkehrs geht der Trend Richtung Hybrid- und Elektroantriebe. Für große Dieselmotoren wie z.B. in Frachtschiffen ist der Umstieg auf Elektromotoren aufgrund der benötigten Größe der Akkus nicht realistisch. Hier muss zumindest eine Verringerung der giftigen NOx-Emissionen erreicht werden.

Momentaner Standard ist die Abgasnachbehandlung bei der AdBlue® in den Abgasstrang eingespritzt wird. Bisher wird die AdBlue®-Einspritzung nach Motoren-Drehzahl, Leistung und Verbrennungstemperatur elektronisch gesteuert. Untersuchungen des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben ergeben, dass zu viel Ammoniak im System die Funktionstüchtigkeit des Katalysators einschränkt *. Die in der Motorsteuerung hinterlegten Werte für die benötigte AdBlue®-Beimischung kann in der Realität jedoch dazu führen, dass zu viel AdBlue® eingespritzt wird, d.h. Ammoniak im Abgas enthalten ist; oder zu wenig eingespritzt wird und NOx im Abgas verbleibt.

Beide Fälle sind unerwünscht, da es sich auch bei Ammoniak um ein giftiges Gas handelt. Eine ständige Überwachung und Anpassung der AdBlue®-Beigabe in den Abgasstrang wäre daher von Vorteil. Bisher eingesetzte Ammoniaksensoren arbeiten auf der Basis von Metall-Oxid-Sensoren. Diese Sensoren weisen viele Querempfindlichkeiten zu anderen im Abgasstrang anwesenden Gasen auf und erschweren so eine genaue Messung. Tatsächlich liefern nur spektroskopisch arbeitende Sensorkonzepte die nötige Sensitivität und Selektivität, um verlässlich die Ammoniakkonzentration im Abgasstrang eines Dieselmotors bestimmen zu können. Herkömmliche Spektrometer sind für die Verwendung im Motor aber zu groß und zu teuer. Daher wird im Rahmen des Projekts NH3Sens (NDUV Ammoniak Gassensor) ein miniaturisiertes nicht-dispersives ultra-violett (NDUV) Spektrometer für die Abgasanalyse entwickelt.

Erste Arbeiten beschäftigten sich mit der optischen Simulation des NDUV Spektrometers sowie der Auswahl und Charakterisierung der benötigten Komponenten. Momentan wird ein Labordemonstrator aufgebaut mit dem erste Ammoniakmessungen möglich sind. Ein Sensor bestimmt die durch Ammoniak hervorgerufene Absorption von UV-Licht (~220nm) in einer Gasküvette. Ein Referenzkanal ermöglicht die Temperatur- und Helligkeitsüberwachung der LED, sowie die Bestimmung von Quereinflüssen weiterer Gase in die Absorptionsstrecke.

AdBlue® ist eine eingetragene Marke des VDA (Verband der Automobilindustrie).

* https://www.internationales-verkehrswesen.de/dieselabgase-ammoniak-menge/


Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten werden im Forschungsprojekt „NDUV Ammoniak Gassensor“ (NH3SENS) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
FKZ: 49MF190821