Erfolgreicher Abschluss an der Fakultät Maschinenbau

14.08.2020
Von: Marcel Kaspar

Promotion erfolgreich abgeschlossen: Mit seiner Doktorarbeit liefert Marcel Kaspar einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung eines Kohlenwasserstoffsensors, der die Funktionen abgasemissionsrelevanter Bauteile im Dieselfahrzeug überwacht.

Marcel Kaspar (Mitte), ehemaliger Masterand der Fakultät Maschinenbau der OTH Regensburg, konnte seine Promotion erfolgreich abschließen.

Marcel Kaspar (Mitte), ehemaliger Masterand der Fakultät Maschinenbau der OTH Regensburg, konnte seine Promotion erfolgreich abschließen. Von links nach rechts: Prof. Dr. Jakob Burger (TU München), Prof. Dr. Georg Wachtmeister (TU München), Promovend Marcel Kaspar, Prof. Dr. Matthias Gaderer (TU München) und Prof. Dr. Hans-Peter Rabl (OTH Regensburg). Foto: Hans Zollner

Durch die Kooperation mit Universitäten kann die Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg (OTH Regensburg) herausragenden Studierenden die Möglichkeit bieten, sich im Rahmen einer Promotion gezielt weiterzuqualifizieren. Marcel Kaspar hatte bereits 2013 für seine „spannende Abschlussarbeit“ einen der begehrten Präsentationspreise verliehen bekommen. Er studierte an der Fakultät Maschinenbau und hat nun auch seine Promotion erfolgreich abgeschlossen.

Ziel seiner Doktorarbeit war es, die Entwicklung eines Kohlenwasserstoffsensors zur Funktionsüberwachung abgasemissionsrelevanter Bauteile im Dieselfahrzeug zu unterstützen. Zum einen sollte geprüft werden, welche Kohlenwasserstoffe sich für eine Synthesegaszusammensetzung zur Validierung des Sensors am Systemprüfstand eignen. Zum anderen galt es zu untersuchen, wie sich verschiedene Einflussparameter auf das Sensorsignal auswirken und ob eine Überwachung während des realen Betriebs im Fahrzeug möglich ist.

Verschiedene Methoden zur Bestimmung der Synthesegaszusammensetzung

Zur Bestimmung der Synthesegaszusammensetzung wurden modellierte und reale Abgaszusammensetzungen mit verschiedenen Methoden erzeugt. Als Messsystem zur differenzierten Kohlenwasserstoffanalyse kam ein Massenspektrometer zum Einsatz, das mit der Methode der Ion-Molekül-Reaktion arbeitet.

Auf der Grundlage zahlreicher Abgasmassenspektren und der Berücksichtigung von Fragment-Ionen konnte eine Reihe an Kohlenwasserstoffen identifiziert werden, die das Dieselabgas repräsentieren. Darunter befinden sich die drei Spezies Ethin, Ethen und Propen, die als Synthesegas vorgeschlagen und quantitativ am Motorenprüfstand untersucht wurden. 

Massenspektrometer optimal für dynamisch zeitaufgelöste Analysen

Die Ergebnisse zeigen, dass das verwendete Massenspektrometer hervorragend geeignet ist, um dynamisch zeitaufgelöste Analysen durchzuführen. Die drei Kohlenwasserstoffe wurden bei allen Untersuchungen im Abgas aufgefunden und machen je nach Motorbetriebsbedingung einen Anteil an der Gesamt-Kohlenwasserstoffkonzentration zwischen 5 und 79 Prozent aus.

Die Eigenschaften des Kohlenwasserstoffsensors wurden an einem Heißgasprüfstand durch eine gezielte Variation der Sensorschutzkappe, -ausrichtung und -position bei verschiedenen Gastemperaturen, Luftmassenströmen sowie Kohlenwasserstoffkonzentrationen ermittelt. Zusätzlich ist die Konvertierungsrate unterschiedlich desaktivierter Oxidationskatalysatoren unter definierten Temperaturbedingungen mit mehreren Sensoren betrachtet worden. Am Motorenprüfstand wurden Sensoren im Abgasnebenstrom und im Abgashauptstrom vermessen.

Starke Strömungs- und Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals

Die Ergebnisse sowohl am Heißgasprüfstand als auch am Motorenprüfstand lassen trotz einer Sensorschutzkappe auf eine starke Strömungs- und Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals schließen. Somit ist eine hochgenaue Funktionsüberwachung zum aktuellen Zeitpunkt im Fahrzeug bei instationären Betriebsbedingungen nicht möglich. Sind die Bedingungen jedoch konstant (Abgastemperatur und Strömungsgeschwindigkeit), könnte die Kohlenwasserstoffsensitivität des Sensors schon jetzt genutzt werden, um auch bei niedrigen Konzentrationen Abgasnachbehandlungssysteme zu überwachen.

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