Eignungsprüfung des dynamischen Partikelmeßgerätes TEOM®
					
	
		©1999
		Diplomarbeit
		
			
				106 Seiten
			
		
	
				
				
					
						
					
				
				
				
				
			Zusammenfassung
			
				Inhaltsangabe:Zusammenfassung:	
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Eignung des TEOM® zur dynamischen Erfassung der Partikelemission von Kfz mit Dieselmotoren auf einem Abgasrollenprüfstand geprüft.
Ein Kriterium für diesen Nachweis ist der Vergleich der vom TEOM® ermittelten Gesamtmasse im europäischen Fahrzyklus relativ zum gesetzlich vorgeschriebenen gravimetrischen Verfahren. Hier konnte bei Beachtung einiger Randbedingungen eine gute Übereinstimmung von durchschnittlich 92,9 % beim Testfahrzeug erreicht werden.
Das Auftreten von negativen Massenraten führt bei der Analyse von einzelnen Motorbetriebszuständen zu Verzerrungen, da sie hauptsächlich in ruhigen Phasen des Tests (Verzögerung, Leerlauf) auftreten. Durch geeignete Wahl der Betriebsparameter des TEOM® ist eine deutliche Reduzierung, nicht aber eine vollständige Eliminierung der negativen Peaks möglich. Da die negativen Massenraten aber an definierten Stellen, also nicht willkürlich, auftreten, stellen sie die generelle Eignung des Gerätes nicht in Frage. Der vom TEOMÒ ermittelte Verlauf kann dem Applikateur wichtige Erkenntnisse zur Optimierung der Partikelemission liefern.
In dieser Diplomarbeit wurden drei dynamische Partikelmeßgeräte verglichen. Neben dem TEOM® kam ein Trübungsmeßgerät und das nach der Infrarot- Extinktionsmethode funktionierende DPA 482 zum Einsatz. Das hier eingesetzte Trübungsmeßgerät kann die Partikelemission moderner Motoren (EURO 3) nicht mehr hinreichend genau erfassen.
Das TEOM® empfiehlt sich für einen Einsatz, wenn die Emission in Anlehnung an das gesetzlich vorgeschriebene Verfahren ermittelt werden soll. Bei gleichzeitiger Ermittlung der limitierten gasförmigen Abgasbestandteile ist das TEOM® dem DPA 482 vorzuziehen, da keine Entnahme von Rohgas vorgenommen wird und somit die Analyse der verdünnten Gase nicht negativ beeinflußt wird. Das DPA 482 ermöglicht die differenzierte Erfassung von Ruß und Kohlenwasserstoffen und empfiehlt sich daher für entsprechende Aufgabenstellungen. Das TEOM® ist verglichen mit dem DPA 482 einfacher zu bedienen.
Abschließend läßt sich feststellen, daß das TEOM® geeignet ist, die dynamische Partikelemission von Dieselkraftfahrzeugen hinreichend genau zu erfassen. Diese Aussage trifft insbesondere vor dem Hintergrund zu, das bessere Alternativen bei den gegebenen Randbedingungen nicht vorhanden sind. Das TEOM® bietet die Möglichkeit, zukünftig einen besseren Kompromiß zwischen dem Zielkonflikt der gleichzeitigen […]
	Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Eignung des TEOM® zur dynamischen Erfassung der Partikelemission von Kfz mit Dieselmotoren auf einem Abgasrollenprüfstand geprüft.
Ein Kriterium für diesen Nachweis ist der Vergleich der vom TEOM® ermittelten Gesamtmasse im europäischen Fahrzyklus relativ zum gesetzlich vorgeschriebenen gravimetrischen Verfahren. Hier konnte bei Beachtung einiger Randbedingungen eine gute Übereinstimmung von durchschnittlich 92,9 % beim Testfahrzeug erreicht werden.
Das Auftreten von negativen Massenraten führt bei der Analyse von einzelnen Motorbetriebszuständen zu Verzerrungen, da sie hauptsächlich in ruhigen Phasen des Tests (Verzögerung, Leerlauf) auftreten. Durch geeignete Wahl der Betriebsparameter des TEOM® ist eine deutliche Reduzierung, nicht aber eine vollständige Eliminierung der negativen Peaks möglich. Da die negativen Massenraten aber an definierten Stellen, also nicht willkürlich, auftreten, stellen sie die generelle Eignung des Gerätes nicht in Frage. Der vom TEOMÒ ermittelte Verlauf kann dem Applikateur wichtige Erkenntnisse zur Optimierung der Partikelemission liefern.
In dieser Diplomarbeit wurden drei dynamische Partikelmeßgeräte verglichen. Neben dem TEOM® kam ein Trübungsmeßgerät und das nach der Infrarot- Extinktionsmethode funktionierende DPA 482 zum Einsatz. Das hier eingesetzte Trübungsmeßgerät kann die Partikelemission moderner Motoren (EURO 3) nicht mehr hinreichend genau erfassen.
Das TEOM® empfiehlt sich für einen Einsatz, wenn die Emission in Anlehnung an das gesetzlich vorgeschriebene Verfahren ermittelt werden soll. Bei gleichzeitiger Ermittlung der limitierten gasförmigen Abgasbestandteile ist das TEOM® dem DPA 482 vorzuziehen, da keine Entnahme von Rohgas vorgenommen wird und somit die Analyse der verdünnten Gase nicht negativ beeinflußt wird. Das DPA 482 ermöglicht die differenzierte Erfassung von Ruß und Kohlenwasserstoffen und empfiehlt sich daher für entsprechende Aufgabenstellungen. Das TEOM® ist verglichen mit dem DPA 482 einfacher zu bedienen.
Abschließend läßt sich feststellen, daß das TEOM® geeignet ist, die dynamische Partikelemission von Dieselkraftfahrzeugen hinreichend genau zu erfassen. Diese Aussage trifft insbesondere vor dem Hintergrund zu, das bessere Alternativen bei den gegebenen Randbedingungen nicht vorhanden sind. Das TEOM® bietet die Möglichkeit, zukünftig einen besseren Kompromiß zwischen dem Zielkonflikt der gleichzeitigen […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 6627 
Gebbe, Marcus: Eignungsprüfung des dynamischen Partikelmeßgerätes TEOM® 
Hamburg: Diplomica GmbH, 2003  
Zugl.: Berlin, Technische Universität, Diplomarbeit, 1999 
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Diplomica GmbH 
http://www.diplom.de, Hamburg 2003 
Printed in Germany
Danksagung 
I
Marcus Gebbe 
Sprengelstr. 33 
13353 Berlin 
Tel.: 030 / 454 900 44 
Special Thanks to: 
· 
Prof. em Dr. H. Appel, Leiter des Instituts für Straßen- und Schienenverkehr an 
der TU Berlin.  
· 
Herrn Holthaus, Betriebsleiter der IAV GmbH Berlin,   
· 
Detlef Volkmer, der als Betreuer der Diplomarbeit und Ingenieur am Abgasrol-
lenprüfstand am inhaltlichen Gelingen dieser Arbeit wesentlichen Anteil hatte und 
immer mit guten Tips und Ratschlägen zur Verfügung stand. 
· 
Andreas Rahne und  Frank Michael Schulz, die als Prüfstandsfahrer allzeit 
das Lenkrad fest im Griff hatten.  
· 
Ralf Valentin für das Aufspüren von Tippfehlern und inhaltlicher Sinnlosigkeiten. 
· 
Frank Bunar, der das Testfahrzeug organisierte, den Motordatenstand appli-
zierte, die Rauchgasmessung durchführte und hilfreiche Tips gab. 
· 
Frank Appel, der die Meßdaten des DPA 482 zur Verfügung stellte. 
· 
Sven Exler, der die Auswertung von Motorkenndaten erarbeitet hat. 
· 
der  IAV GmbH in Berlin, die Ihren modernen Abgasrollenprüfstand für die 
Messungen zur Verfügung gestellt hat. 
· 
und meiner Frau Andrea, die meine guten und schlechten Launen in der Zeit der 
Erstellung der Diplomarbeit ertragen mußte 
Daten zu dieser Diplomarbeit: 
Bei den durchgeführten Tests wurden knapp 1 Millionen Meßwerte ermittelt. 
Inhalt 
II
Inhalt 
1 EINLEITUNG ... 1 
2 ZUSAMMENFASSUNG, BEWERTUNG UND AUSBLICK ... 3 
3 EIGENSCHAFTEN UND WIRKUNGEN VON PARTIKELN ... 5 
3.1 Partikel - eine Einordnung ... 5 
3.1.1 Eigenschaften von Rußpartikeln... 6 
4 GRUNDLAGEN DER PARTIKELMESSUNG VON DIESEL-KFZ... 8 
4.1 Eigenschaften von Partikeln aus Diesel-Kfz... 8 
4.1.1 Höhe der Partikelemission... 9 
4.1.2 Stoffliche Zusammensetzung der Partikel ...10 
4.1.3 Größenverteilung der Partikel...12 
4.1.4 Gesetzliche Bestimmungen für die Messung von Partikeln aus Dieselmotoren in Europa...14 
4.2 Meßtechniken zur Bestimmung der Partikelemission ...15 
4.2.1 Gravimetrisches Verfahren...15 
4.2.2 Rauchgasmessung ...18 
4.2.3 Infrarot-Extinktionsmethode ...20 
4.2.4 Tapered Element Oscillating Microbalance...21 
4.3 Ergebnisse vergleichender Messungen mit dem TEOM
®
...22 
5 KONZEPT FÜR DIE MESSUNGEN MIT DEM TEOM
®
...31 
5.1 Optimierungstests...31 
5.1.1 Überprüfung der Starteffizienz neuer Filter...32 
5.1.2 Überprüfung des Druckabfalls bei stark beladenen Filtern...32 
5.1.3 Variation von Geräteeinstellungen...33 
5.1.4 Detailuntersuchung der negativen Peaks ...34 
5.2 Applikationstests...35 
5.3 Katalysatortests ...36 
6 VERSUCHSAUFBAU UND -DURCHFÜHRUNG...38 
6.1 Abgasrollenprüfstand der IAV GmbH ...38 
6.2 TEOM
®
-Meßgerät...40 
6.3 Fahrzyklen...46 
6.4 Testfahrzeuge...48 
Inhalt 
III
6.5 Berechnungsgrundlagen und Definitionen...49 
7 VERSUCHSERGEBNISSE...52 
7.1 Ergebnisse der Optimierung der Geräteeinstellung ...52 
7.1.1 Überprüfung der Starteffizienz neuer Filter...52 
7.1.2 Überprüfung des Druckabfalls bei stark beladenen Filtern...54 
7.1.3 Optimierung der Geräteeinstellung...55 
7.1.4 Detailuntersuchung der negativen Peaks ...65 
7.1.5 Zusammenfassung der Optimierungstests...67 
7.2 Ergebnisse der Applikationstests ...68 
7.2.1 Übersicht über die Ergebnisse in den europäischen Fahrzyklen ...68 
7.2.2 Vergleichende Betrachtung der Ergebnisse des TEOM
®
, der Trübungsmessung                              
und des gravimetrischen Verfahrens ...74 
7.2.3 Vergleichende Betrachtung der Ergebnisse des TEOM
®
 und des DPL 482 ...80 
7.3 Ergebnisse der Katalysatortests ...82 
7.4 Empfehlungen zum Einsatz des TEOM
®
 im täglichen Betrieb eines Abgasprüfstandes...86 
8 ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG...90 
9 LITERATURVERZEICHNIS ...95 
Verzeichnisse 
IV    
Abbildungsverzeichnis 
Kapitel 3 
Bild 3.1 Ungefährer Größenbereich verschiedener Teilchenarten / Birkle 1979 / ...6 
Kapitel 4 
Bild 4.1 Typische Partikelmassenemission von Kfz im europäischen Fahrzyklus...9 
Bild 4.2 Typische stoffliche Zusammensetzung der Partikelemission eines Diesel-
Kfz / Klingenberg 1995 /...10 
Bild 4.3 Einfluß des Katalysators auf die Partikelemission und -zusammensetzung 
im europäischen Fahrzyklus / MTZ 1996 / ...12 
Bild 4.4 Typische Größenverteilung von Partikeln eines Dieselmotors mit 
Oxidationskatalysator / Klingenberg 1995 /...13 
Bild 4.5 Zukünftige Partikel- und NOx-Grenzwerte für Dieselmotoren in Europa...14 
Bild 4.6 Filterung von Dieselabgas auf dem Abgasprüfstand...17 
Bild 4.7 Ermittlung der Partikelemission eines Kfz / Klingenberg 1995 /...17 
Bild 4.8 Prinzipskizze des Rauchgasmeßgerätes Celesco 300 ...18 
Bild 4.9 Prinzipskizze des Kondensations-Partikelmeßgerätes 3022A von TSI...19 
Bild 4.10 Funktionsprinzip der Infrarot-Extinktionsmethode ...21 
Bild 4.11 Prüfung auf korrekte Massenermittlung des TEOM
®
 / SAE 850403 b / ...24 
Bild 4.12 Einfluß des Filter-Durchsatzes auf das T/G-Ratio / SAE 1998 / ...25 
Bild 4.13 Einfluß der Filtertemperatur auf das T/G-Ratio auf einem Motorprüfstand 
/ SAE 1998 / ...26 
Bild 4.14 Einfluß der Filtertemperatur auf das T/G-Ratio auf einem 
Abgasrollenprüfstand / SAE 1998 / ...27 
Bild 4.15 Einfluß des Fahrzyklus auf das T/G-Ratio bei idi-Dieselmotoren 
/ SAE 1985 a / ...28 
Bild 4.16 Einfluß des Motorbetriebszustandes auf das T/G-Ratio bei idi-Diesel-
motoren mit Turbolader / SAE 1985 a / ...29 
Bild 4.17 Einfluß des Motorbetriebszustandes auf das T/G-Ratio bei di-Diesel-
motoren mit Turbolader / SAE 1985 a / ...29 
Verzeichnisse 
V
Kapitel 6 
Bild 6.1 Rollenprüfstand der IAV GmbH ...38 
Bild 6.2 Ansicht der Waage zur gravimetrischen Partikelmassenemission...40 
Bild 6.3 Prinzipskizze des TEOM
®
-Meßgerätes ...41 
Bild 6.4 Frontansicht des TEOM
®
-Meßgerätes ...42 
Bild 6.5 Ansicht der geschlossenen Meßzelle des TEOM
®
-Meßgerätes ...43 
Bild 6.6 Ansicht der geöffneten Meßzelle des TEOM
®
-Meßgerätes mit 
aufgesetztem Filter ...43 
Bild 6.7 Grafische Darstellung der Meßwerte am PC...44 
Bild 6.8 Skizze eines TEOM
®
-Filters...45 
Bild 6.9 Europäischer Fahrzyklus ...46 
Bild 6.10 Amerikanischer Fahrzyklus FTP75...47 
Kapitel 7 
Bild 7.1 Starteffizienz eines beladenen und neuen TX40-Filters ...52 
Bild 7.2 Übersicht über die Starteffizienz verschiedener Filtertypen...53 
Bild 7.3 Druckabfall am Filter in Abhängigkeit von der Filterbeladung...54 
Bild 7.4 Typischer Verlauf der Massenrate im Hot505-Fahrzyklus...55 
Bild 7.5 Typischer Verlauf negativer Emissionsspitzen im Hot505-Fahrzyklus ...56 
Bild 7.6 Typischer Verlauf der Massenrate bei Schaltvorgängen im Hot505-
Fahrzyklus...57 
Bild 7.7 Typischer Verlauf der Gesamtmasse im Hot505-Fahrzyklus...58 
Bild 7.8 T/G-Ratio in den Hot505-Tests in Abhängigkeit von Durchfluß und 
TEOM
®
-Temperatur ...60 
Bild 7.9 Verlauf der Massenrate im Hot505-Fahrzyklus bei 25 und 45° C 
Temperatur des TEOM
®
-Meßgerätes [0..505 Sek.]...61 
Bild 7.10 Verlauf der Massenrate im Hot505-Fahrzyklus bei 25 und 45° C 
Temperatur des TEOM
®
-Meßgerätes [320..505 Sek.] ...62 
Bild 7.11 Verlauf der Massenrate im Hot505-Fahrzyklus bei 1 und 3 l/min 
Durchfluß des TEOM-Meßgerätes [0..505 Sek.]...63 
Bild 7.12 Verlauf der Massenrate im Hot505-Fahrzyklus bei 1 und 3 l/min   
Durchfluß des TEOM
®
-Meßgerätes [320..505 Sek.] ...64 
Bild 7.13 Verlauf der Massenrate in reinen Beschleunigungs- und 
Verzögerungsphasen ...66 
Bild 7.14 Verlauf der Massenrate in Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen, 
die durch Konstantfahrten getrennt sind...66 
Verzeichnisse 
VI    
Bild 7.15 P/G-Ratio in Abhängigkeit von Durchfluß und Temperatur in den 
Hot505-Tests ...67 
Bild 7.16 T/G-Ratio in den europäischen Fahrzyklen...69 
Bild 7.17 T/G-Ratio in den Phasen des europäischen Fahrzyklus...69 
Bild 7.18 Exemplarischer Verlauf der Massenrate im europäischen Fahrzyklus ...70 
Bild 7.19 Exemplarischer Verlauf der Gesamtmassen im europäischen Fahrzyklus ...71 
Bild 7.20 Partikelemission des Fahrzeugs in einzelnen Testphasen ...72 
Bild 7.21 Partikelemission des Fahrzeugs in einzelnen Motorbetriebszuständen...73 
Bild 7.22a Massenrate des TEOM
®
 vor und nach Applikation im europäischen 
Fahrzyklus [200..400 Sek.]...75 
Bild 7.22b Trübung vor und nach Applikation im europäischen Fahrzyklus 
[200..400 Sek.]...75 
Bild 7.23a Massenrate des TEOM
®
 vor und nach Applikation im europäischen 
Fahrzyklus [800..1200 Sek.]...77 
Bild 7.23b Trübung vor und nach Applikation im europäischen Fahrzyklus 
[800..1200 Sek.] ...77 
Bild 7.24 Korrelation zwischen TEOM
®
-Massenrate und Frischluftmenge als 
Indikator der Verstellung der Abgasrückführung [1080..1140 Sek.] ...79 
Bild 7.25 Verringerung der Partikelemission durch Applikation in Abhängigkeit 
vom eingesetzten Meßgerät...79 
Bild 7.26 Vergleich der Verläufe der Massenrate von DPA 482 und TEOM
®
[200..400 Sek.]...81 
Bild 7.27 Vergleich der Verläufe der Massenrate von DPA 482 und TEOM
®
[800..1200 Sek.] ...81 
Bild 7.28 T/G-Ratio in den europäischen Fahrzyklen eines Fahrzeugs mit und 
ohne Oxidationskatalysator ...82 
Bild 7.29 Massenrate mit und ohne Katalysator im europäischen Fahrzyklus 
[200..400 Sek.]...84 
Bild 7.30 Massenrate mit und ohne Katalysator im europäischen Fahrzyklus 
[800..1200 Sek.] ...84 
Bild 7.31 Gesamtmasse mit und ohne Katalysator im europäischen Fahrzyklus 
[800..1200 Sek.] ...85 
Bild 7.32 Anzahl der Tests pro Filter und P/G-Ratio in Abhängigkeit vom 
Durchfluß...88 
Verzeichnisse 
VII
Tabellenverzeichnis 
Tab. 5.1 Übersicht über das Meßprogramm ...37 
Tab. 7.1 Druckabfall pro Test in Abhängigkeit der relevanten Parameter ...87 
Tab. 7.2 Zeitaufwand für wiederkehrende Arbeiten am TEOM
®
-Gerät ...89 
Verzeichnisse 
VIII    
Formelverzeichnis 
Formel 4.1 Berechnung der Kalibrierkonstanten eines TEOM
®
-Sensors 
/ Gefahrstoffe 1996 /...23 
Formel 6.1 Berechnung der Partikelemission des Testfahrzeugs aus dem 
Ergebnis der TEOM
®
-Messung ...50 
Formel 6.2 Berechnung der Partikelemission des Testfahrzeugs aus dem 
Ergebnis der gravimetrischen Bestimmung ...50 
Formel 6.3 Berechnung des T/G-Ratio...51 
Formel 6.4 Berechnung des P/G-Ratio...51 
Verzeichnisse 
IX
Abkürzungsverzeichnis 
Abkürzung 
Bedeutung 
AGR 
Abgasrückführung 
C 
Kohlenstoff 
CH
4
Methan 
CO 
Kohlenmonoxid 
CO
2
Kohlendioxid 
di 
direkt einspritzender Dieselmotor 
DPA 482 
dynamisches Partikel- und Lambdamess-System 482 der Fa. AVL 
EPA 
Environmental Protection Agency (der USA)  
FTP 
Federal Test Procedure (in den USA) 
HC 
Kohlenwasserstoff 
idi 
indirekt einspritzender Dieselmotor 
LA 4 
Los Angeles 4 Testzyklus 
NMHC 
Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe 
NOx 
Stickoxide 
O
2
Sauerstoff 
PAH 
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe 
THC 
Gesamtheit aller Kohlenwasserstoffe 
VDI 
Verein deutscher Ingenieure 
Einleitung 
Seite 1  
1  Einleitung 
Nicht erst seitdem sich die direkt einspritzenden Dieselmotoren im Markt durchge-
setzt haben, ist der Dieselmotor im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch und damit 
auch auf die Kohlendioxidemission ohne Konkurrenz. Anstelle dessen steht bei den 
Dieselmotoren u. a. die Partikelemission im Vordergrund der Kritik, da sie vermut-
lich gesundheitsschädigende Wirkung auf den menschlichen Organismus hat. 
Daher wurden im Rahmen des präventiven Schutzes der Menschen in den Indust-
rienationen massenbezogene Grenzwerte für die Partikelemission definiert. Der 
genaue Zusammenhang hinsichtlich der gesundheitsschädlichen Wirkung von Parti-
keln aus Dieselmotoren konnte aber noch nicht restlos geklärt werden.  
Eine stufenweise Verringerung der Abgasgrenzwerte in  Europa wurde sowohl für 
das Jahr 2000 als auch für 2005 beschlossen. Aufgrund dieser Verschärfung wird 
es den Applikateuren nicht mehr ausreichen, nur die Gesamtemission der Fahrzeu-
ge in den jeweiligen Abgastestzyklen zu kennen. Zu einem noch wichtigerem Werk-
zeug werden die zeitaufgelösten Emissionswerte. Für die gasförmigen  Emissionen 
sind diese bereits seit langem verfügbar. Einzig die limitierte Partikelemission wurde 
bisher nicht zeitaufgelöst betrachtet. 
Der sogenannte ,,Dieselkonflikt"  - die gleichzeitige Reduzierung der Stickoxid- und 
Partikelemission  - wird zukünftig ohne genaue Kenntnis der Partikelemission in ein-
zelnen Fahrzuständen nicht optimal zu lösen sein.  
Das Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM
®
) ist in der Lage, die Parti-
kelemission zeitaufgelöst zu ermitteln. Dabei wird das Gerät wie beim gesetzlich 
vorgeschriebenen gravimetrischen Verfahren mit Filtern betrieben. Die unweigerlich 
im Abgas vorhandene Feuchte und flüchtige, an Partikeln angelagerte Bestandteile 
können das Ergebnis beeinflussen.  
Einleitung 
Seite 2
Inwieweit das TEOM
®
 geeignet ist, die Partikelemission so genau darzustellen, daß 
die Ergebnisse in der Praxis von Applikateuren genutzt werden können, soll Ge-
genstand der Untersuchungen in dieser Diplomarbeit sein. Dazu werden drei Meß-
reihen durchgeführt.  
In der ersten Meßreihe wird untersucht, ob die Variation von Geräteeinstellungen 
Einfluß auf die Qualität und Quantität der Ergebnisse des TEOM
®
 hat. In dieser 
Untersuchung wird auch das Problem der geringen Starteffizienz von neuen Filtern 
und das Problem negativer Peaks im Verlauf der Massenrate betrachtet.  
In der zweiten Meßreihe wird überprüft, ob der zeitliche Verlauf der Massenrate 
durch das TEOM
®
 korrekt wiedergegeben wird. Da es keine Möglichkeit der direk-
ten Überprüfung der zeitaufgelösten Partikelmeßwerte gibt, kann die qualitative und 
quantitative Überprüfung nur auf indirektem Wege geführt werden. Hierzu wird ver-
sucht, an einem Fahrzeug durch Variation der Abgasrückführung an genau definier-
ten Stellen eine Verbesserung der Partikelemission herbeizuführen. Diese Verbes-
serung wird zum einen durch das gravimetrische Standardverfahren, durch die TE-
OM
®
-Messung und durch eine Rauchgasmessung ermittelt. Die Ergebnisse der drei 
Meßgeräte werden verglichen und bewertet. Diese Meßreihe beinhaltet auch einen 
Vergleich zwischen einer TEOM
®
-Messung und einer mittels DPL 482
1
.  
In der dritten Meßreihe wird der Einfluß des Katalysators auf die Ergebnisse des 
TEOM
®
-Gerätes ermittelt. Dazu wird der serienmäßig eingebaute Oxidations-
katalysator des Testfahrzeugs gegen einen unbeschichteten Katalysator getauscht. 
1
 Das Prinzip dieses Gerätes beruht auf der Infrarot-Extinktionsmethode (siehe Kapitel 4.2.3) 
Zusammenfassung 
Seite 3  
2  Zusammenfassung, Bewertung und Ausblick 
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Eignung des TEOM
®
 zur dynamischen 
Erfassung der Partikelemission von Kfz mit Dieselmotoren auf einem Abgasrollen-
prüfstand geprüft. 
Ein Kriterium für diesen Nachweis ist der Vergleich der vom TEOM
®
 ermittelten 
Gesamtmasse im europäischen Fahrzyklus relativ zum gesetzlich vorgeschriebenen 
gravimetrischen Verfahren. Hier konnte bei Beachtung einiger Randbedingungen 
eine gute Übereinstimmung von durchschnittlich 92,9 % beim Testfahrzeug erreicht 
werden.  
Das Auftreten von negativen Massenraten führt bei der Analyse von einzelnen Mo-
torbetriebszuständen zu Verzerrungen, da sie hauptsächlich in ,,ruhigen" Phasen des 
Tests (Verzögerung, Leerlauf) auftreten. Durch geeignete Wahl der Betriebspara-
meter des TEOM
®
 ist eine deutliche Reduzierung, nicht aber eine vollständige Eli-
minierung der negativen Peaks möglich. Da die negativen Massenraten aber an de-
finierten Stellen, also nicht willkürlich, auftreten, stellen sie die generelle Eignung 
des Gerätes nicht in Frage. Der vom TEOM
®
 ermittelte Verlauf kann dem Applika-
teur wichtige Erkenntnisse zur Optimierung der Partikelemission liefern.  
In dieser Diplomarbeit wurden drei dynamische Partikelmeßgeräte verglichen. Ne-
ben dem TEOM
®
 kam ein Trübungsmeßgerät und das nach der Infrarot-
Extinktionsmethode funktionierende DPA 482 zum Einsatz. Das hier eingesetzte 
Trübungsmeßgerät kann die Partikelemission moderner Motoren (EURO 3) nicht 
mehr hinreichend genau erfassen. 
Das TEOM
®
 empfiehlt sich für einen Einsatz, wenn die Emission in Anlehnung an 
das gesetzlich vorgeschriebene Verfahren ermittelt werden soll. Bei gleichzeitiger 
Ermittlung der limitierten gasförmigen Abgasbestandteile ist das TEOM
®
 dem 
Zusammenfassung 
Seite 4
DPA 482 vorzuziehen, da keine Entnahme von Rohgas vorgenommen wird und so-
mit die Analyse der verdünnten Gase nicht negativ beeinflußt wird. Das DPA 482 
ermöglicht die differenzierte Erfassung von Ruß und Kohlenwasserstoffen und emp-
fiehlt sich daher für entsprechende Aufgabenstellungen. Das TEOM
®
 ist verglichen 
mit dem DPA 482 einfacher zu bedienen. 
Abschließend läßt sich feststellen, daß das TEOM
®
 geeignet ist, die dynamische 
Partikelemission von Dieselkraftfahrzeugen hinreichend genau zu erfassen. Diese 
Aussage trifft insbesondere vor dem Hintergrund zu, das bessere Alternativen bei 
den gegebenen Randbedingungen nicht vorhanden sind. Das TEOM
®
 bietet die 
Möglichkeit, zukünftig einen besseren Kompromiß zwischen dem Zielkonflikt der 
gleichzeitigen Senkung der NOx- und Partikelemission zu erreichen. Insbesondere 
im Hinblick auf die bereits beschlossenen Senkungen der Partikel- und Abgas-
grenzwerte in Europa ist eine genauere Kenntnis der Partikelemission unbedingt 
notwendig. 
Die hier vorliegenden Messungen wurden an einem Fahrzeug mit direkt einspritzen-
den Dieselmotor vorgenommen, der mit Turbolader und Oxidationskatalysator aus-
gerüstet war. Dieser Motor entspricht dem derzeitigen Standard bei Neufahrzeugen 
mit Dieselmotor. Für andere Motor- und Abgasminderungskonzepte kann eine Eig-
nungsprüfung des TEOM
®
 zu differenzierten Ergebnissen kommen. 
Derzeit wird die stoffliche Zusammensetzung und die Größenverteilung der Partikel 
vom Gesetzgeber nicht bewertet. Es ist zu vermuten, daß einen relevanter Wir-
kungszusammenhang zwischen diesen beiden Kenngrößen und der gesundheitlichen 
Gefährdung durch Partikel besteht. In Zukunft könnten daher entsprechende Meß-
geräte in den Mittelpunkt rücken.  
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 5  
3  Eigenschaften und Wirkungen von Partikeln 
3.1  Partikel - eine Einordnung 
Unter Partikeln oder partikelförmigen Luftverunreinigungen werden feste und flüssi-
ge, in der Atemluft schwebende, fein verteilte Stoffe verstanden. Dieser Schweb-
staub wird den Aerosolen untergeordnet. Diese bezeichnen allgemein Systeme aus 
Gasen (z. B. Luft oder Stickstoff etc.) mit darin verteilten, kleinen, festen oder flüs-
sigen Schwebstoffen. Diese Schwebstoffe haben natürliche (Vulkanismus, Blüten-
staub etc.) wie auch menschlich-industrielle Ursachen (Verbrennungsprozesse). In 
diesem Zusammenhang spricht man oft von anthrophogenen Quellen des Schweb-
staubes, womit all die Stäube gemeint sind, die nicht natürlich, sondern vom Men-
schen verursacht sind / Birkle 1979 /. 
Die untere Grenze der Partikelgröße ist mit dem Übergang von festen zu gasförmi-
gen Stoffen verbunden. Die obere Grenze wird mit zunehmender Partikelgröße da-
durch gekennzeichnet, daß die Stoffe aufgrund ihres Gewichts rasch zu Boden sin-
ken. Dieses Sedimentieren ist erst oberhalb einer Korngröße von 10 
µ
m
2
 nennens-
wert (die Sinkgeschwindigkeit eines kugelförmigen Teilchens von 10 
µ
m Durchmes-
ser und der Dichte von 1 g/cm³ in ruhender Luft beträgt etwa 3 mm/s). Damit ergibt 
sich ein Rahmen für den Durchmesser von Schwebstoffen von etwa 0,001 
µ
m bis 
500 
µ
m (oder: 0,5 mm). Teilchen, die kleiner als 10 
µ
m sind, bezeichnet man als 
Feinstäube, größere als Grobstaub / Birkle 1979 /. 
Bild 3.1 zeigt eine Übersicht über die Größenbereiche verschiedener Teilchenarten. 
Der im Bild genannte Teilchendurchmesser ist ein geometrischer Begriff, da weder 
Durchmesser, noch Volumen oder Oberfläche an den unregelmäßig geformten Par-
tikeln direkt meßbar sind. Deswegen wird hier von Äquivalentdurchmesser gespro-
2
 1 
µ
m = 1 * 10
-6
 m = 0,001 mm 
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 6
chen. Er ordnet einem beliebigen Teilchen denjenigen Durchmesser eines kugelför-
migen Teilchens gleicher Stoffart zu / Birkle 1979 /. 
Bild 3.1 Ungefährer Größenbereich verschiedener Teilchenarten / Birkle 1979 / 
3.1.1  Eigenschaften von Rußpartikeln 
Ruß ist eine Erscheinungsform des Kohlenstoffs, der sich bei unvollständiger 
Verbrennung (Verbrennung unter Sauerstoffmangel) bildet. Ruß besteht aus räum-
lich verzweigten, losen Ketten mehrerer tausend Einzelpartikel. Diese besitzen eine 
relativ große Oberfläche, auf der Reizgase, organische und anorganische Verbin-
dungen sowie Metalle adsorbiert werden. Ruß in der Atemluft kommt also nicht in 
reiner, elementarer Form, sondern in Verbindung mit an der Oberfläche adsorbier-
ten Stoffen vor  / Senatsverwaltung für Gesundheit in Berlin 1994 /. Den größten 
Anteil an der Partikelemission von Dieselmotoren trägt der Kohlenstoff mit ca. 70 
bis 90 % (siehe auch Bild 4.2). 
Zu den adsorbierten anorganischen Substanzen zählen unter anderem Wasser, 
Rostpartikel, Salze (z. B. Sulfate) und keramische Fasern. Organische Substanzen 
werden alle (organischen) Kohlenstoffverbindungen genannt, die größtenteils Koh-
lenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff sowie geringe Mengen anderer Stoffe (z. B. 
Schwefel) enthalten.  
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 7  
Zu den organischen Substanzen, die adsorbiert werden, gehören die polyzyklischen 
aromatischen Kohlenwasserstoffe, im weiteren nur noch kurz PAH genannt. Diese 
Klasse umfaßt eine Gruppe von mehreren hundert Stoffen. PAH entstehen bei allen 
unvollständigen Verbrennungen. Ein bekannter Vertreter ist das Benzo(a)pyren /  
VDI Berichte 888-a, 1991  /. 
Die Größenverteilung der Dieselrußmasse ist aufgrund von Messungen auf Abgas-
prüfständen bekannt (siehe Bild 4.4) und liegt in etwa zwischen 0,01 und 10 µm. In 
dieser Größe sind sie in der Lage, bis in tiefste Bereiche der Lunge vorzudringen. 
Eine detaillierte Beschreibung des Bildungsmechanismus, der Partikel-
häufigkeitsverteilung und der stofflichen Zusammensetzung von Dieselruß wird im 
VDI Bericht 888 aus dem Jahre 1991 von H. Klingenberg gegeben 
/ VDI Berichte 888-b, 1991 /.  
Die Emission von partikelförmigen Ruß ist auf verschiedene Quellen zurückzuführen. 
Abzugrenzen sind hierbei die verkehrlichen Rußemissionen von Emissionen aus pri-
vaten Haushalten und Industriebetrieben (Hausbrand etc.) Bei den verkehrlichen 
Rußemissionen werden bisher die dieselmotorisch betriebenen Pkw und Lkw als 
Hauptverursacher angesehen. Ruß wird auch im Straßenbau eingesetzt und somit 
über den Abrieb der Straßenoberfläche in die Umgebung emittiert / Stechmann 
1993 /.  
Nachdem der Ruß von seiner Quelle emittiert wird, gelangt er in die Umgebungsluft 
und kann von dort unmittelbar über die Atemluft in den Atemtrakt des Menschen 
gelangen. Die in der Luft schwebenden Teilchen werden je nach Größe und Ge-
wicht der Partikel sowie Witterungseinflüßen (Regen, Wind etc.), nach einer mehr 
oder weniger langen Zeit in Böden oder in Gewässern abgelagert. Von dort aus 
können diese über die Nahrungskette (angereichert in Pflanzen, Tieren und Trink-
wasser) vom Menschen aufgenommen werden. 
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 8
4  Grundlagen der Partikelmessung von Diesel-Kfz 
Eine fundierte Grundlage für die folgenden Messungen mit dem TEOM
®
 soll in die-
sem Kapitel dargeboten werden. Die Grundlagen orientieren sich an dem Konzept 
der Messungen (siehe Kapitel 5) und beschränken sich daher im wesentlichen auf 
folgende Themengebiete: 
· 
Höhe, stoffliche Zusammensetzung und Größenverteilung der Partikelemission 
· 
europäische Gesetzgebung, insbesondere im Hinblick auf die Bestimmung der 
Partikelemission 
· 
Meßtechniken zur Bestimmung der dynamischen Partikelemission 
· 
Einfluß des Katalysators auf die Partikelemission 
4.1  Eigenschaften von Partikeln aus Diesel-Kfz 
Die derzeitige europäische Gesetzgebung begrenzt die Gesamtmasse der Partikel-
emission von Kraftfahrzeugen mit Dieselmotor. Eine Bewertung der stofflichen Zu-
sammensetzung und der Größenverteilung wird nicht vorgenommen. Derzeit wird 
aber zu den beiden letztgenannten Themen eine wissenschaftliche Diskussion ge-
führt / MTZ 1996 / MTZ 1997 /. Daher sollen neben der Höhe der Partikel-emission 
diese beiden Aspekte in den folgenden Unterpunkten berücksichtigt werden. 
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 9  
4.1.1  Höhe der Partikelemission 
Die Partikelemission des im Rahmen dieser Diplomarbeit genutzten Fahrzeugs mit 
modernem, direkt einspritzendem Dieselmotor (Serienfertigung 1999) beträgt im 
europäischen Fahrzyklus ca. 0,0350 g/km. Damit liegt sie gemäß Bild 4.1 etwa 
30 % unterhalb des ab dem Jahre 2000 geltendem Grenzwert von 0,05 g/km. Im 
Vergleich zum Serienstand von 1992 und zu noch älteren Dieselmotoren werden die 
in den letzten Jahren erreichten erheblichen Verbesserungen bei der Partikel-
emission erkennbar.  
Der indirekt einspritzende Ottomotor mit 3-Wege-Katalysator, der keiner gesetzge-
berischen Begrenzung der Partikelemission unterliegt, emittiert weniger als 1/10 der 
Partikelmasse eines heutigen modernen Dieselmotors (Serienfertigung 1999). Die 
Partikelemission von direkt einspritzenden Ottomotoren könnte aber wesentlich  ü-
ber derjenigen indirekt einspritzender liegen. 
Ottomotor idi mit            
3-Wege-Katalysator
Grenzwert EURO 4     
(ab 2005)
Dieselmotor di
(Serienfertigung 1999)
Grenzwert EURO 3     
(ab 2000)
Dieselmotor idi
(Serienfertigung 1992)
alter Dieselmotor 
0.0025
0.0250
0.0350
0.0500
0.0700
0.25
0.000
0.100
0.200
0.300
Partikelmassenemission [g/km]
Ottomotor idi mit            
3-Wege-Katalysator
Grenzwert EURO 4     
(ab 2005)
Dieselmotor di
(Serienfertigung 1999)
Grenzwert EURO 3     
(ab 2000)
Dieselmotor idi
(Serienfertigung 1992)
alter Dieselmotor 
Bild 4.1 Typische Partikelmassenemission von Kfz im europäischen Fahrzyklus 
(Quellen: / MTZ 1992 / Klingenberg 1995 / eigene Messungen /) 
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 10
4.1.2  Stoffliche Zusammensetzung der Partikel 
Die Partikel aus dem Dieselmotor bestehen hauptsächlich aus dem Feststoff Ruß 
und daran angelagerten Kohlenwasserstoffen. Gemäß Bild 4.2 liegt der Anteil die-
ser beiden Bestandteile bei ca. 95 % der Partikelmasse. Der im Kraftstoff enthalte-
ne Schwefel wird im Motor oxidiert und bildet mit dem Wasser im Abgas partikel-
förmige Sulfate (hauptsächlich Schwefelsäure). Diese Sulfate tragen ebenso wie 
Abrieb aus dem Motor und Öladditive in geringem Umfang zur Partikelmasse bei 
/ Klingenberg 1995 / MTZ 1994 /. 
elementarer 
Kohlenstoff (Ruß) 
71%
Sulfat (kondens. 
Schwefelsäure)
3%
organische 
Komponenten 
(angelagert)
24%
sonstige 
Bestandteile 
(Metalloxide etc.)
2%
Bild 4.2 Typische stoffliche Zusammensetzung der Partikelemission eines Diesel-Kfz 
/ Klingenberg 1995 / 
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 11  
Bei der Analyse kann die Partikelmasse in drei Fraktionen unterteilt werden 
/ MTZ 1996 /: 
· 
organisch lösbarer Anteil (SOF = soluble organic fraction); partikelgebundene 
Kohlenwasserstoffe, die durch Extraktion aus dem Partikelfilter gelöst werden. 
· 
Sulfate und Wasser, die durch Ultraschallextraktion gelöst werden und nachfol-
gend weiteren Auswertungsmethoden unterzogen werden. 
· 
Ruß (elementarer Kohlenstoff) mit geringen Mengen Motorabrieb und Öladditi-
ven, als verbleibender Rest. 
Bild 4.3 zeigt Ergebnisse der Forschungsvereinigung Verbrennungs-kraftmaschinen 
(FVV), die den Einfluß des Oxidationskatalysators auf die Partikelemission und  -
zusammensetzung untersucht hat / MTZ 1996 /. Dabei wurde festgestellt, daß der 
Oxidationskatalysator die Partikelemission hauptsächlich durch Verringerung der 
angelagerten Bestandteile (SOF) senkt. Die Partikelemission des Fahrzeugs wurde 
durch den Katalysator von 0,16 g/km auf 0,12 g/km reduziert, wobei die absolute 
Rußmasse nicht beeinflußt wurde. 
Bei hohen Abgastemperaturen im Katalysator wird der Kraftstoffschwefel oxidiert 
und trägt dann als Sulfat zur Partikelemission bei. Dies kann den mindernden Effekt 
der Reduzierung des SOF-Anteils kompensieren. Das dazu notwendige Tempera-
turniveau wird im europäischen Fahrzyklus aber selten erreicht / MTZ 1994 /. 
Grundlagen der Partikelmessung 
Seite 12
SOF
Ruß
Sulfat und Wasser
Summe
0.071
0.036
0.082
0.082
0.006
0.002
0.160
0.120
0.000
0.040
0.080
0.120
0.160
0.200
Partikelemission [g/km]
SOF
Ruß
Sulfat und Wasser
Summe
Test ohne Kat
Test mit Kat
Bild 4.3 Einfluß des Katalysators auf die Partikelemission und -zusammensetzung im europä-
ischen Fahrzyklus / MTZ 1996 / 
4.1.3  Größenverteilung der Partikel  
Bild 4.4 zeigt die typische Größenverteilung von Partikeln eines indirekt einspritzen-
den Dieselmotors mit Oxidationskatalysator / Klingenberg 1995 /. Der Mittelwert 
des Partikeldurchmessers liegt bei ca. 0,261 µm. Damit können sie bis in die Berei-
che der Lunge vordringen, in denen der Stoffaustausch stattfindet. 
Partikel aus Fahrzeugen mit direkt einspritzendem Dieselmotor haben mutmaßlich 
aufgrund der hohen Einspritzdrücke (bis zu 2000 bar) noch geringere Durchmesser. 
Hierzu finden sich in der Literatur aber widersprüchliche Aussagen / MTZ 1997 / 
AMS 1999 /.  
Da die gesetzlichen Bestimmungen eine Analyse der Partikelgrößenverteilung nicht 
vorschreibt und mit dem TEOM
®
 eine solche auch nicht möglich ist, soll auf diese 
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Erscheinungsjahr
- 1999
- ISBN (eBook)
- 9783832466275
- ISBN (Paperback)
- 9783838666273
- DOI
- 10.3239/9783832466275
- Dateigröße
- 1.2 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Technische Universität Berlin – Verkehrswesen
- Erscheinungsdatum
- 2003 (April)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- abgasrollenprüfstand abgastest partikelfilter
- Produktsicherheit
- Diplom.de
 
					