Projekt 35617/01

Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur mobilen Kohlenwasserstoff-Messung an Kraftfahrzeugen

ProjekttrÀger

Hochschule Karlsruhe fĂŒr Technik und Wirtschaft Technik und Wirtschaft FakultĂ€t fĂŒr Maschinenbau und Mechatronik Institut fĂŒr KĂ€lte-, Klima- und Umwelttechnik
Moltkestr. 30
76133 Karlsruhe
Telefon: +49 712 925 1845

Zielsetzung

Innerhalb der Euro 6-Gesetzgebung wurden sogenannte Real-Drive-Emission-Tests (RDE) eingefĂŒhrt, in denen ausgewĂ€hlte Schadstoffe wĂ€hrend einer realistischen Fahrt gemessen werden. Da fĂŒr die Messung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC-Emissionen) bisher aber nur wasserstoffbetriebene Flammen-Ionisations-Detektoren (FID) eingesetzt werden können, wird die Messung dieser HC-Emissionen weiterhin nur in den stationĂ€ren Labortests vorgeschrieben.
Ziel des Vorhabens ist es daher, eine neuartige Methode zur Bestimmung der HC-Konzentration in Gasen zu untersuchen, die ohne Wasserstoff betrieben wird. Ähnlich wie bei einem FID soll auch bei der untersuchten Methode die von der HC-Konzentration abhĂ€ngige Ionisierung des Probengases gemessen werden. Die Ionisierung des Probengases erfolgt jedoch - statt mit einer Wasserstoffflamme - mit einer temperaturgeregelten elektrisch beheizten heißen OberflĂ€che. Der wasserstofffreie Betrieb der Messtechnik erlaubt eine einfachere Handhabung und einen sicheren Betrieb in oder an den Fahrzeugen, die wĂ€hrend eines RDE-Tests am realen Verkehr teilnehmen. Der geringere Bauraumbedarf erlaubt eine einfache Einbildung in das mobile Messtechniksystem.

Arbeitsschritte

Aufbauend auf Voruntersuchungen mit einem Laborprototypen wurde zunÀchst ein verbesserter
Laborprototyp mit zahlreichen Variationsmöglichkeiten entwickelt, hergestellt und untersucht. U.a. wurden unterschiedliche Elektrodengeometrien und -anordnungen eingesetzt.
Dabei wurde insbesondere die WĂ€rmeĂŒbertragung und die rĂ€umliche Zuordnung und die Eigenschaften des elektrischen Felds zwischen den Elektroden anhand verschiedener Geometrievarianten untersucht. Zur Verringerung von temperaturbedingtem Signaldrift, wurde fĂŒr das HC-Sensorelement (Ă€hnlich wie FID) ein thermisch konditioniertes GehĂ€use entwickelt.
Neben den experimentellen Untersuchungen wurden Simulationsmethoden eingesetzt.
Mittels FEM wurde die rÀumliche Verteilung des elektrischen Felds zwischen den Elektroden der
Ionenstrommesstechnik fĂŒr unterschiedliche Geometrievarianten berechnet. Mittels 3D-CFD wurde das Strömungsverhalten und insbesondere die WĂ€rmeĂŒbertragung zwischen der heißen OberflĂ€che und dem Probengas und der damit einhergehenden rĂ€umlichen Temperaturverteilung untersucht. FĂŒr ein tieferes VerstĂ€ndnis ĂŒber die die temperaturabhĂ€ngige chemischen Ionisierung wurde die CFD um die Berechnung der Reaktionskinetik ergĂ€nzt. Ziel der Arbeiten war die Intensivierung der Ionenbildung bei begrenzter OberflĂ€chentemperatur des beheizten Elements, um einerseits die Reproduzierbarkeit des Signals als auch das Signal-Rausch-VerhĂ€ltnis zu verbessern.
Die experimentellen Untersuchungen wurden mit kalibrierten Probengasen als auch mit realen
Motorabgasen durchgefĂŒhrt.

Ergebnisse

Die WĂ€rmeĂŒbertragung zwischen heißer OberflĂ€che und dem Probengas konnte verbessert werden,
ebenso die rÀumliche Zuordnung des beheizten Probengases mit dem elektrischen Feld.
Durch die thermische Konditionierung des Sensorelements konnte insbesondere die Aufheizzeit sowie
die Temperaturdrift verringert werden.
Ein von der HC-Konzentration abhÀngiges Ionenstromsignal kann erzeugt und gemessen werden.

Allerdings konnte trotz einer Vielzahl an Variationen bezĂŒglich Geometrie und Betriebsparameter aufgrund des Einflusses von zum Teil noch unbekannten StörgrĂ¶ĂŸen noch keine ausreichende Reproduzierbarkeit des Messsignals erreicht werden.

Öffentlichkeitsarbeit

Wissenschaftliche Publikation:

- Salim, N. et al.: Portable HC-Tracker: Development of a Flameless Method for Mobile Hydrocarbon
Measurement in Vehicle Exhaust, 21. International Stuttgarter Symposium, https://doi.org/10.1007/978-3-658-33521-2_29, 2021

Bachelorarbeiten:
- Heeg, R.: Konzeptionierung und Entwicklung einer thermisch isolierenden Messkammer fĂŒr einen
Kohlenwasserstoffsensor, Bachelorarbeit, Hochschule Karlsruhe, 2022.
- MĂŒller, M. A.: Entwicklung und DurchfĂŒhrung von Versuchsreihen zur Analyse der Querempfindlichkeit
eines Kohlenwasserstoffsensors, Bachelorarbeit, Hochschule Karlsruhe, 2023.

Kurzvorstellung des Projekts auf der Instituts-Website:
- https://www.h-ka.de/ikku/genlab/portable-hc-tracker
Eine geplante Vorstellung auf der Hannover-Messe 2020 und 2021 (auf dem Baden-WĂŒrttemberg-Pavillon im Rahmen der Profilregion MobilitĂ€tssysteme Karlsruhe) ist wegen der Corona-Pandemie ausgefallen.

Projektbeschreibung auf der Institutswebsitewissenschaftliche Publikation

Fazit

Es konnte nachgewiesen werden, dass das Sensorprinzip ein von der HC-Konzentration im Probengas abhÀngiges Ionenstromsignal erzeugt. Allerdings sind weitere Untersuchungen erforderlich, um den
Ionisierungsprozess sowie den Ursachen und EinflĂŒsse von StörgrĂ¶ĂŸen zu verstehen.

Übersicht

Fördersumme

125.000,00 €

Förderzeitraum

01.08.2020 - 31.03.2023

Bundesland

Baden-WĂŒrttemberg

Schlagwörter

Umwelttechnik