Entwicklung eines Rußmessgerätes für Kfz-Werkstätten und AU-Prüfung - 1. Phase: Durchführung von grundlegenden Untersuchungen

Aktenzeichen 25911/01
Zusammenfassung / Abstract:
Abschlussbericht: DBU-Abschlussbericht-AZ-25911.pdf (8.96 MB)
Projektträger: E.A.S.T. Solutions GbR
Hauptstr. 19
38388 Twieflingen
weitere Projekte aus der Umgebung
Telefon: 05352/9097037
Internet: http://www.eastsolutions.eu
Bundesland: Niedersachsen
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die maßgebliche Emission von Dieselmotoren besteht aus NOX und Rußpartikeln. Bei Erniedrigung der NOX-Emission durch innermotorische Maßnahmen entsteht vermehrt Ruß und umgekehrt. Die Rußemission kann mit sehr effizienter Wirkung durch geregelte Partikelfilter nahezu beseitigt werden, wenn sichergestellt ist, dass deren Wirkung langfristig erhalten bleibt. Da solche Filter im Laufe der Betriebszeit verschleißen oder beschädigt werden können, ist im Rahmen der periodischen Abgasuntersuchung eine Überprüfung der Filter auf ihre Funktion erforderlich. Messgeräte, die empfindlich genug für diese Aufgabe wären, sind sehr kostspielig, wartungsintensiv und nicht werkstatttauglich. Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung eines Messgerätes nach einem neuen, sehr robusten Messverfahren, das die geforderte Empfindlichkeit aufweist, mobil einsetzbar ist und Anschaffungskosten von ca. 10.000,- Euro hat. ein solches Messgerät ist, nach Recherchen (Stand 2007) von der PTB und dem TÜV-Nord, weltweit nicht verfügbar.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAusgehend von den Erkenntnissen, die im Rahmen einer kooperativen Promotion gewonnen wurden und den Erfahrungen während des Forschungsprojektes DBU, AZ 22493, mit dem Einsatz des Ladungssensors für OBD und OBM wird ein Konzept eines Werkstattmessgerätes zusammengestellt, das obigen Zielvorstellungen entspricht. Dabei wurden neue Probleme festgestellt, die mit der niedrigen Gasgeschwindigkeit im Sensor in Zusammenhang stehen und bei den hohen Gasgeschwindigkeiten im Abgasvollstrom nicht aufgetreten waren. Es wurden Untersuchungen der Elektrodenform des Sensors unter Einfluss der Gasströmung durchgeführt. Dazu wurde die erforderliche Messtechnik entwickelt, die den Volumenstrom, die Temperatur und den Absolutdruck im Sensorbereich registriert, um das Messsignal auf einen Normzustand zu beziehen zu können. Es musste auch das Problem eines geheizten Entnahmeschlauchs gelöst werden, um Kondensatbildung im Sensor zu vermeiden. Zusätzliche Sicherheitseinrichtungen wurden entwickelt, die eine Zerstörung der Eingangschaltung der Messelektronik durch Funkenüberschlag von der Hochspannungselektrode verhindern sowie eine elektronische Dauerkurzschlusssicherung für die Hochspannung. Nach erfolgreicher Klärung der Probleme, wurden die einzelnen Komponenten des Werkstattmessgerätes in ein transportables Gehäuse eingebaut und Vergleichsmessungen beim TÜV-Nord durchgeführt, um die Korrelation zum Opazimeter bei unterschiedlichen Motortypen nachzuweisen. Der Meilenstein der 1.Phase des Projektes war an diese Korrelation gebunden.


Ergebnisse und Diskussion

Die zu Beginn des Vorhabens aufgetretenen Probleme konnten gelöst werden, indem eine neuartige Struktur der Messelektrode entwickelt wurde, die eine höhere Empfindlichkeit und schnellere Ansprechzeit ergab, so dass die Anforderungen der AU bezüglich dem Zeitverhalten des Sensors erfüllt werden konnten. Der Ausfall der Elektrodenheizung durch Oxidation der Heizwendeloberfläche konnte beseitigt werden, indem diese in einem Glasrohr luftdicht eingeschlossen wurde, damit kein frischer Luftsauerstoff eintreten kann. Der Einfluss der temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeit der Quarzglas- Elektrodenhalter auf das Messsignal wurde konstruktiv gelöst, so dass zwischen der Position der Heizwendel und den Elektrodenköpfen ein Temperaturgefälle von ca. 200 °C entsteht. Die Einführung einer Nullpunkspülung löste das Problem der thermischen Nullpunkstabilität der Messelektronik und der Sensoren für Temperatur und Differenzdruck zur Umrechnung auf den Normzustand. Die Untersuchungen von verschiedenen Dieselfahrzeugen beim TÜV-Nord zeigten neue, aber bereit gelöste Probleme in Bezug auf Verschmutzung des Entnahmeschlauchs und des Sensors. Durch eine vorgesehene Rückspülung der Einrichtung kann bei Bedarf nach ca. 30 s der Ausgangszustand sicher wiederhergestellt werden. Die ersten Reihenuntersuchungen von Fahrzeugen erfolgten mit der 1. Ausführung des Versuchsmusters. Es wurden das BOSCH- als auch das AVL-Opazimeter als Vergleichsgerät verwendet. Die Auswertung der Messungen ergaben eine Gesamtkorrelation von R² = 90 % im Vergleich zu den Messungen mit den Opazimetern. Wenn nur das Opazimeter von AVL Typ 439 für die Vergleiche eingesetzt wird, erhöht sich die Korrelation auf 95 %, einschließlich der Reproduzierbarkeit.
Die 2. Ausführung des Mustergerätes erfüllt die geplanten Ziele bezüglich Gewicht, Baugröße, Hand-habbarkeit, Robustheit, Empfindlichkeit und Anschaffungspreis. Das entscheidende Ergebnis für eine Weiterführung des Vorhabens besteht darin, dass eine hohe Korrelation, unabhängig von den verschiedenen Fahrzeugmotoren, erreicht wurde. Zu Beginn des Vorhabens bestanden Bedenken, dass die Messergebnisse von dem Verbrennungsverfahren des jeweiligen Motors abhängig sind, begründet durch das Verfahren der Partikelladung. Bei Untersuchungen des gesamten Kennfeldes von Motoren und Betrieb des Sensors innerhalb der Abgasanlage (OBD-Betrieb) ist dies auch der Fall. Da bei der AU nur ein einziger Arbeitspunkt angefahren wird (Vollgasstoß bei Leerlast) und die wichtigsten Einflussgrößen auf das Sensorsignal gemessen werden, wurde keine Einwirkung der Oberflächenform der Rußpartikel erkannt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Einbau von 2 Ladungssensoren einschließlich OBD-Auswertung in schweren Radladern im Schacht Konrad, 6.02.2008
Inbetriebnahme eines Ladungssensors für Vollstrommessungen im Europäischen Forschungszentrum von TOYOTA in Brüssel, 2.-4.04.2008
Präsentation des Ladungssensors auf dem Hochschulgemeinschaftsstand während der Hannover Mes-se, 21.-25.04.2008
Präsentation und Vorführung des Ladungssensors auf der 12. ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zürich, 23- 25.06.2009
Hauser G.: Smoke particle sensors for OBD and high sensitive measurements, internationale CTI-Tagung, 8.-10.12.2008
Präsentation des Ladungssensors im Abgaszentrum der Automobilindustrie (ADA) in Stuttgart,2.04.2009
Hauser G.: OBD Measurements in Vehicles and Non-Road Applications Haus der Technik, 28.04.2009, erschienen im EXPERT- Verlag, Onboard-Diagnose III, ISBN 978-3-8169-2926-0
Hauser G.: Wie kann der Übergang von alter zu neuer Messtechnik erfolgen, PTB Braunschweig, Partikelseminar, 19.05.2009
Präsentation und Vorführung des Werkstattmessgerätes auf der 13. ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zürich, 22.-24.06.2009
Präsentation und Vorführung des Werkstattmessgerätes auf dem FAD-Workshop Überprüfung von Partikelfiltern bei Großmotoren und Binnenschifffahrt, Dresden, 1.-2. 07.2009
Präsentation des Werkstattmessgerätes bei der Volkswagen AG, Abt. EASZ/2 Prüfmethoden, Herr Dr. Carli, 20.08.2009


Fazit

Das F&E-Projekt, konnte mit Erfolg abgeschlossen werden. Es steht jetzt ein Entwicklungsmuster für Erprobungszwecke zur Verfügung. Es laufen bereits Verhandlungen mit der Fa. Saxon-Junkalor, Dessau, die für den Bereich der AU das Verfahren einsetzen wollen. Anfang 2010 wird von dem Bundesumweltamt eine Messkampagne initiiert, die eine unabhängige wissenschaftliche Einrichtung durchführen wird, bei der Partikelmessgeräte verschiedener Hersteller auf ihre Eignung für die Abgasuntersuchung (AU) geprüft werden sollen.

Förderzeitraum: 14.12.2007 - 13.06.2009 (1 Jahr und 6 Monate)
Fördersumme: 124.000,00
Förderbereich: I.2.2
Themengebiet: Umwelttechnik
Stichworte: Umweltforschung, Klimaschutz, Umwelttechnik
Publikationen: