Gassensoren

Überwacht im Fahrbetrieb

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Das Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) setzt seit 2016 mobile Messgeräte (Portable Emissions Measurement System, PEMS) ein. Diese Messsysteme testen Fahrzeuge auch außerhalb des Abgaslabors im realen Fahrbetrieb auf ihren Schadstoffausstoß. Die Prüfung der Einhaltung der Grenzwerte und damit  die Wirksamkeit des Emissionskontrollsystems unter bestimmten Fahr- und/oder Umgebungsbedingungen erfolgt nach der Messfahrt anhand der gewonnen Daten.

PEMS zeichnen sich durch die genaue Analyse des Abgases aus, haben allerdings auch Nachteile wie hohe Kosten, hohes Gewicht, zeitaufwändige Montage und – generell - „Montageprobleme“. Vor diesem Hintergrund ließ das KBA im Rahmen einer Master-Arbeit durch einen Studenten der TUHH ein Screeningtool,- für ein „Mini-PEMS“ - das diese Nachteile nicht kennt, entwickeln. Als zentrales Sensorelement zur präzisen und dynamischen Messung der Abgasmenge dient ein Gasmassensensor von systec Controls .

Die bislang verwendeten portablen Emissionsmesssystems (PEMS)  sind mit relativ hohen Kosten verbunden und in der konstruktiven Auslegung der Befestigung an der Anhängerkupplung eine Herausforderung. Die bislang genutzten Systeme können -je nach Anbaumöglichkeiten  bis zu 100 kg wiegen, was ein enormes zusätzliches Gewicht darstellt und die Montage physisch wie auch zeitlich erschwert. Das  KBA wollte ein zusätzliches Messsystem, das als schnell und vergleichsweise einfach einsetzbares, kostengünstiges Screening-Tool verwendet werden kann, um das Emissionsverhalten von Fahrzeugen einzuschätzen.

Dieses neu zu entwickelnde Screening-Tool und Mini-PEMS sollte die Feldüberwachung sowohl von Fahrzeugen mit Benzin- als auch Dieselmotoren in kurzen Zeiträumen ermöglichen und mit hinreichend hoher Genauigkeit erste Informationen über die Emissionskontrollstrategie des Testfahrzeuges aufzeigen. Ein den Vorstellungen des KBA entsprechendes Messinstrument war bislang nicht am Markt verfügbar.

Der Weg zum neuen Screeningtool

Von der Konzeption über die Definition des Lastenhefts bis hin zur Erstellung eines Prototyps entwickelte ein Student am Institut für Mechatronik und Maschinenbau , im Rahmen einer Masterarbeit an der Technischen Universität Hamburg, einen funktionierenden Prototyp Verantwortlicher Prüfer der TUHH, der im Januar 2020 abgeschlossenen Arbeit, war Prof. Dr.-Ing. Thorsten A. Kern.

KBA-Ingenieure (gleichzeitig interne Betreuer der Masterarbeit) trieben nach Einreichung der Arbeit die finale Marktreife des Prototypen weiter voran.

Auswahl der Massenstrom-Sensorik

Die Bewertung der Messtechnik-Auswahl wird hier beispielhaft an der Massenstrommessung dargestellt: Im ersten Schritt wurde, ausgehend von den Einsatzbedingungen und den damit geforderten Eigenschaften, eine Vorauswahl von drei Messgeräten getroffen. Der bleibende Druckverlust der Komponenten soll unter  20 mbar liegen. So wird eine Beeinflussung der Mess-Sensorik auf die Emissionsregelung der zu prüfenden Fahrzeuge vermieden. Weiter muss das System  gegen die auftretenden Temperaturen  und Inhaltsstoffe des Abgases resistent sein.

Aufgrund der speziellen Anwendung am Fahrzeug, wurde für die Massenstrommessung eine Auswahl auf einen speziellen Volumenzähler und zwei Messgeräte die auf dem Wirkdruckprinzip basieren getroffen.  Die drei bewerteten Messgeräte sind ein Venturi-Durchflussmessgerät, ein Durchflussmessgerät nach dem Pitotrohr-Prinzip und ein Flügelradzähler.

Das Venturi-Durchflussmessgerät bestimmt die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung des Differenzdruckes an einer Querschnittsverengung. Durchflussmessgeräte nach dem Pitotrohr-Prinzip messen einen Druckunterschied zwischen zwei Punkten. Diese Punkte liegen so, dass zum einen der Staudruck und zum anderen der statische Druck erfasst werden. Aus dem Druckunterschied lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit berechnen.  Flügelrad-Durchflussmessgeräte bestimmen die Strömungsgeschwindigkeit aus der Drehzahl des Flügelrades. Die Geschwindigkeit kann mit dem Rohrdurchmesser anschließend in den Durchfluss umgerechnet werden. Bei diesen Prinzipien ist es notwendig eine Dichtekorrektur durchzuführen, um den Durchfluss in den Massenstrom umzurechnen, da Abgas nicht als inkompressibel angesehen werden kann. Dies erfordert die Messung von Abgas- Druck und -Temperatur.

Bewertungsmatrix

Auf Basis einer speziellen Bewertungsmatrix konnte gezeigt werden, dass das Venturi-Durchflussmessgerät von systec Controls, unter den gegebenen Kriterien, am besten geeignet ist. Die Gründe sind zum einen, dass es die meisten Bedingungen, wie die Kosten, das Gewicht und die Schnittstelle sehr gut erfüllt und dabei keine gravierenden Nachteile aufzeigt. Das Flügelrad Durchflussmessgerät wird ausgeschlossen, da es durch die Partikel im Abgas beschädigt oder verschmutzt werden kann. Das Pitotrohr-Durchflussmessgerät von ist dem von systec Controls in den meisten Punkten ebenbürtig, allerdings sind das Gewicht und die Größe als schlechter zu bewerten, was den eigentlichen Zielen widerspricht. Weiterhin sind die Kosten für das ausgewählte Messgerät nur halb so groß, wie die des Pitotrohrmessgeräts. Allerdings zeigt dieses Gerät eine noch bessere Genauigkeit. Ein zusätzlicher Vorteil des Venturi-Durchflussmessgerät von systec Controls ist, dass die Temperatur und der Druck im Abgas am Endrohr direkt mit aufgenommen wird, wodurch keine weiteren Sensoren für diese Messgrößen ausgewählt werden müssen.

Das Mini-PEMS erfasst mittles Sensoren von CSM auch NOx, NH3-, O2-Daten. Von Zila, kommen die Daten zu  Umgebungstemperatur und -Druck sowie  zu Umgebungsfeuchte. Ein GPS-Signal wird über den INCA-Rechner mit aufgezeichnet. Aktuell läuft die Weiterentwicklung des Mini-PEMS: Zukünftig wird ein Datenlogger verbaut, der die GPS-Daten mitaufzeichnet. Damit entfällt dann die Einbeziehung des Inca-Rechners. Weil keine die Anforderungen erfüllende Messysteme gefunden wurden, werden Daten zu NO2, N2O, CO, CO2, THC, NMHC und CH14 mit diesem Screeningtool nicht erfasst. Die realisierbaren Messgrößen zeigen, dass die Untersuchung von Fahrzeugen mit Diesel- und Ottomotoren möglich ist. Auch Rückschlüsse auf die Funktion von SCR-Katalysatoren sind realisierbar.

Dieser Bewertung voraus ging eine erste Anfrage an systec Controls im Juli 2019 durch den Autor der Masterarbeit. Noch im gleichen Monat erfolgte die Detaillierung der technischen Auslegung. Ende November 2019 ging die kalibrierte Messstrecke von Puchheim, nahe München, auf den Weg zum KBA nach Flensburg. Eine zweite Messstrecke, speziell ausgelegt für geringe Durchflüsse folgte im Juli 2020.

Mit zwei Messstrecken genau unter allen Betriebsbedingungen

Die Venturi misst den Massenstrom der Tailpipe-Emission von Fahrzeugen im praktischen Fahrbetrieb. Ziel des Kraftfahrt-Bundesamtes ist es insbesondere die von einer NOx-Sonde gemessenen Konzentration gewichten zu können. Durch die zusätzlich gemessene Strecke, können die NOx-Emissionen einer Messfahrt mit streckenbezogenen Grenzwerten in der Einheit mg/s angegeben werden. Die CO2 Daten stellen dabei einen auf den O2 Messungen modellierten Wert dar.

Der pulsationsunempfindliche Luftmassensensor

Eingesetzt wurde ein multivariabler Hochtemperatur Luftmassensensor der TFI4B-2P-Baureihe von systec Controls. Auf eine Venturi montiert misst der Sensor durch die vorher kalibrierten Flussgeometrien sehr genau statisch und dynamisch die Luftmasse, die durch den Motor strömt. Mit einer Abtastfrequenz von 2000 Hz können Pulsationen detektiert und Messfehler vermieden werden. Die Anwendung ist für Abgasmessungen konzipiert, also für Temperaturen bis zu 800°C. Da bei diesen hohen Temperaturen das Gehäuse der Sensorik zu schmelzen droht, wird es physisch von der Wärmequelle distanziert und die P+ und P- Anschlüsse über temperaturbeständige Schläuche realisiert. Die Temperaturmessung übernimmt ein PT1000 der zusätzlich in die Venturi eingebaut ist.

Für die erste Messstrecke, gedacht für hohe Durchflüsse bis zu 800kg/h, waren Druckverluste unter 10mbar gefordert. Dies erlaubt präzise Messungen für hohe und mittlere Flüsse. Die zweite Ausführung ist für Durchflüsse von ca. 50 bis 300kg/h ausgelegt bei max. 20 mbar bleibendem Druckverlust. Damit wird bei Standgas bis in den mittleren Lastbereich gemessen.

Wichtig war auch die einfache Integration in die Messkonfiguration des KBAs über CAN-Bus. Anfangs erfolgte die Anbindung über die INCA-Softwareprodukte von ETAS als Werkzeug für Applikation, Diagnose und Validierung elektronischer Systeme im Fahrzeug, später über Datenlogger.

Im Stand und dynamischem Fahrbetrieb geprüft und validiert

Im praktischen Fahrbetrieb wurde das Ergebnis der Messungen der Venturi mit dem Emission Flow Meter (EFM) des Herstellers AVL verglichen. Es erfolgten sowohl Standtests als auch Fahrten im dynamischen Fahrbetrieb. Bei den Standtests wurden verschiedene Motordrehzahlen konstant gehalten, um konstante Volumenströme zu erzeugen. Daraufhin wurde diesen über eine Lineare Regression (Messwert EFM und systec Venturi) miteinander verglichen. Das Ergebnis war sehr gut, sodass das KBA den Kalibrierfaktor von systec Controls nicht korrigieren musste.

Prüfung der Messgenauigkeit

Letztlich wurde das Screening-Tool experimentell bei Testfahrten validiert und unter Berücksichtigung der Messungenauigkeit qualitativ und quantitativ mit den PEMS-Messgeräten verglichen, bewertet und seiner Funktion verifiziert.

Um die Funktion des Mini-PEMS im Vergleich mit einem PEMS zu validieren, wurden Tests durchgeführt. So wurde die Venturi von systec Controls im Standtest und den in den untenstehenden Tabellen dargestellten Fahrten mit den Ergebnissen des PEMS verglichen. Damit wurde die Funktion des Screening-Tools unter normalen Betriebsbedingungen getestet. Dieser Test sollte auch feststellen, wie sich die kumulierten Ergebnisse unterscheiden, da anhand dieser Daten die Fahrzeuge auf ihre Grenzwerte hin bewertet werden konnten.

Im praktischen Fahrbetrieb wurde das Ergebnis der Messungen der Venturi mit demim PEMS eingesetzten Emission Flow Meter verglichen.

Daten zur Venturi:

Mediumsdaten:              

  • Mediumsbezeichnung Luft
  • Berechnungsmodell Kompressibilitätstabellen
  • Normdichte 1,2929 kg/Nm³
  • Normdichtentemp. n.a. °C
  • Betriebsdichte 0,9572 kg/m³
  • Isentropenkoeffizient 1,4020 –
  • Viskosität 0,0260 cP
  • Kompressibilität 1,0004 –
  • Normdichtendruck n.a. mBar
  • kritische Temperatur -140,6 °C
  • kritischer Druck 3780,0 kPa
  • Genauigkeit   ≤0,5%

Rohrleitungsdaten:

  • Primärelementdaten Innendurchmesser 57,0 mm
  • Form Rohrleitung rund Innendurchmesser warm 57,1 mm
  • Durchfl.zahl C (ISO) 0,91540 –
  • Wandstärke 2,00 mm
  • Öffnungsverh. d/D beta (ISO) 0,7965 –
  • Öffnungsdurchmesser 45,400 mm

Primaerelementtyp:

  • Venturidüse
  • ImproveIT-Faktor 1,00000 –

Prozessdaten:

  • Absolutdruck Auslegung 1,300 bar/abs
  • Temperatur 200,0 °C
  • Durchfluss 750,00000 kg/h
  • Expansionszahl 0,9483 –
  • Reynolds 179E+03 –
  • Mediumsgeschwindigkeit 84,9252 m/s bleibender
  • Druckverlust 9,6575 mbar
  • Differenzdruck 68,0000 mbar
  • maximale Auslegung liegt bei 800 kg/h, die Norm auf 650 kg/h

Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung und Realisierung eines Screening-Tools für die Abgasanalyse von Fahrzeugen im realen Fahrbetrieb. Das Screening-Tool soll eine schnelle Analyse bei geringen Kosten ermöglichen und dem Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) zur sinnvollen Analyse des Abgasverhaltens weitere messtechnische Möglichkeiten bieten. Dank dieses Tools soll die Zahl kostenintensiver Tests mit mobilen Emissionsmessgeräten (Portable Emission Measurement System, PEMS) reduziert werden.  Das möglichst flexible und schnell montierbare System kann neben dem Abgasmassenstrom und den Umgebungsbedingungen auch verschiedene Bestandteile des Abgases, wie die Stickoxid (NOx)-Konzentration, die Ammoniak (NH3)-Konzentration und die Sauerstoff (O2)- Konzentration messen.

Zusätzlich lassen sich die Kohlenstoffdioxid (CO2)-Konzentration und die zurückgelegte Strecke rechnerisch bestimmen. Das System wurde in Vergleichsmessungen in verschiedenen Szenarien mit einem PEMS verglichen, um so die Genauigkeit beurteilen zu können. Die Vergleichsmessungen zeigen, dass das Screening-Tool „Mini-PEMS“ eine ausreichend hohe Genauigkeit besitzt, um qualitative Aussagen zu ermöglichen. „Der Massenstrom Sensor überzeugte vor allem in seiner Genauigkeit selbst im dynamischen Fahrbetrieb aber auch mit einem guten Preis-Leistungsverhältnis“. Durch die Integration eines NH3-Sensors in das Mini-PEMS wurden die messtechnischen Möglichkeiten und die Analysemöglichkeiten des KBA zusätzlich erweitert.

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