Einleitung und Zielsetzung
Durch den immer größeren Energieverbrauch, der vorwiegend durch fossile Brennstoffe gedeckt wird, ist die Luftverschmutzung durch die bei der Verbrennung entstehenden Abgasemissionen zu einem großen Problem geworden. Es sind nicht nur die Emissionen von Industrie, Haushalten und Kraftwerken, die dieses Problem aufkommen lassen, sondern auch in großem Maße der Straßenverkehr.
Deswegen wurde der Umweltschutz auch für den Automobilbau immer mehr ein zentrales Thema, was dazu geführt hat, dass es Ende der 50er Jahre in den USA zu ersten Gesetzgebungsmaßnahmen kam, die die Emissionen der wichtigsten giftigen Abgaskomponenten begrenzten. Dies war unbedingt notwendig, da der motorisierte Individualverkehr praktisch kontinuierlich zunahm, und auch zukünftig zunehmen wird, was folglich mit einer Emissionszunahme verbunden ist.
Mittlerweile haben alle Industriestaaten Abgasgesetze eingeführt, die die zulässigen Grenzwerte der toxischen Abgaskomponenten für Verbrennungsmotoren festlegen. Grenzwerte haben allerdings nur dann einen Sinn, wenn deren Einhaltung überwacht werden kann.
Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der gemessenen Abgasemissionen zu gewährleisten, wurde in der EU 1971 der Europäische Fahrzyklus eingeführt, der in guter Näherung den Fahrbetrieb des europäischen Durchschnittsfahrers nachbilden sollte. Auf dessen Basis ließen sich die Schadstoffemissionen aller Fahrzeugtypen reproduzierbar erfassen und miteinander vergleichen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es ein Programm zu entwickeln, das den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission von PKW in Abhängigkeit verschiedener Fahrzeugdaten (Motorhubraum, Fahrzeugstirnfläche, Luftwiderstandsbeiwert u.a.) aus den durch Simulationsrechnungen ermittelten Verbrauchs- und Emissionsdaten des Antriebsmotors im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) berechnet. Dabei soll ein Fortran-Prozeßprogramm verwendet werden, das die Daten für die unterschiedlichen Betriebspunkte des Motors ermittelt. Dieses soll in geeigneter Weise in das zu entwickelnde übergeordnete Programm eingebunden werden.
Im Anschluss an den Nachweis der formalen Lauffähigkeit wird das erstellte Programm zu Rechenläufen unter Variation von ausgewählten Fahrzeug- und Motordaten eines PKW mit Ottomotor eingesetzt.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Zielsetzung
2. Der Europäische Fahrzyklus
2.1. Allgemeines
2.2. Entwicklung von Fahrkurven
2.2.1. Entwicklung von Fahrkurven aus realen Fahrten
2.2.2. Entwicklung von synthetischen Fahrkurven
2.3. Beurteilungs- und Vergleichskriterien
2.4. Abgas- und Verbrauchsprüfung
2.4.1. Fahrleistungsprüfstand und Prüfablauf
2.4.2. Testfahrer
2.4.3. CVS-Verdünnungsverfahren
2.4.4. Nichtdispersiver Infrarot-Absorptionsanalysator für CO und CO2 (NDIR)
2.4.5. Chemilumineszenz-Analysator für NOX (CLA)
2.4.6. Nichtdispersiver Ultraviolett-Resonanz-Absorptionsanalysator für NOX (NDUVR)
2.4.7. Flammenionisationsdetektor für HC (FID)
2.4.8. Berechnung des Kraftstoffverbrauches
3. Programmdokumentation
3.1. Grundlegende Formeln zur Ermittlung des Motorbetriebspunktes
3.1.1. Luftwiderstand
3.1.2. Rollwiderstand
3.1.3. Beschleunigungswiderstand
3.1.4. Ermittlung des Motorbetriebspunktes
3.2. Übertragungswirkungsgrad
3.3. Programmbeschreibung
3.3.1. OTTOMAIN-Subroutine
3.3.2. NEFZMAIN
3.3.3. TRAPZD-Subroutine
3.3.4. FUNC-Subroutine
3.3.5. Ceta-Subroutine
3.3.6. Ccw- und Cmred-Funktion
3.3.7. NEFZDATA
3.4. Nachweis der formalen Lauffähigkeit
4. Anwendungsrechnungen
4.1. Magermotor
4.2. Vollvariable Ventilsteuerung (Valvetronic)
4.3. Variation des Motorhubraums
4.4. Variation des Verdichtungsverhältnisses
4.5. Variation der Fahrzeugmasse
4.6. Variation des cw-Widerstandsbeiwerts
4.7. Variation der Achsübersetzung
4.8. Variation der Zylinderzahl
5. Zusammenfassung
6. Literatur
Anhang A : Auszug aus der Richtlinie 91/441/EWG
Anhang B : Auszug aus der Richtlinie 98/69/EWG
Anhang C : Fahrzeugdaten
Anhang D : Diagramme (Anwendungsrechnungen)
D1 : Einfluss des Motorhubraums
D2 : Einfluss des Verdichtungsverhältnisses
D3 : Einfluss der Fahrzeugmasse
D4 : Einfluss des cw-Widerstandsbeiwerts
D5 : Einfluss der Achsübersetzung
D6 : Einfluss der Zylinderzahl
1. Einleitung und Zielsetzung
Durch den immer größeren Energieverbrauch, der vorwiegend durch fossile Brennstoffe gedeckt wird, ist die Luftverschmutzung durch die bei der Verbrennung entstehenden Abgasemissionen zu einem großen Problem geworden. Es sind nicht nur die Emissionen von Industrie, Haushalten und Kraftwerken, die dieses Problem aufkommen lassen, sondern auch in großem Maße der Straßenverkehr.
Deswegen wurde der Umweltschutz auch für den Automobilbau immer mehr ein zentrales Thema, was dazu geführt hat, dass es Ende der 50er Jahre in den USA zu ersten Gesetzgebungsmaßnahmen kam, die die Emissionen der wichtigsten giftigen Abgaskomponenten begrenzten. Dies war unbedingt notwendig, da der motorisierte Individualverkehr praktisch kontinuierlich zunahm, und auch zukünftig zunehmen wird, was folglich mit einer Emissionszunahme verbunden ist.
Mittlerweile haben alle Industriestaaten Abgasgesetze eingeführt, die die zulässigen Grenzwerte der toxischen Abgaskomponenten für Verbrennungsmotoren festlegen [1,3]. Grenzwerte haben allerdings nur dann einen Sinn, wenn deren Einhaltung überwacht werden kann.
Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der gemessenen Abgasemissionen zu gewährleisten, wurde in der EU 1971 der Europäische Fahrzyklus eingeführt, der in guter Näherung den Fahrbetrieb des europäischen Durchschnittsfahrers nachbilden sollte. Auf dessen Basis ließen sich die Schadstoffemissionen aller Fahrzeugtypen reproduzierbar erfassen und miteinander vergleichen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es ein Programm zu entwickeln, das den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission von PKW in Abhängigkeit verschiedener Fahrzeugdaten (Motorhubraum, Fahrzeugstirnfläche, Luftwiderstands-beiwert u.a.) aus den durch Simulationsrechnungen ermittelten Verbrauchs- und Emissionsdaten des Antriebsmotors im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) berechnet. Dabei soll ein Fortran-Prozeßprogramm verwendet werden, das die Daten für die unterschiedlichen Betriebspunkte des Motors ermittelt. Dieses soll in geeigneter Weise in das zu entwickelnde übergeordnete Programm eingebunden werden.
Im Anschluss an den Nachweis der formalen Lauffähigkeit wird das erstellte Programm zu Rechenläufen unter Variation von ausgewählten Fahrzeug- und Motordaten eines PKW mit Ottomotor eingesetzt.
2. Der Europäische Fahrzyklus
2.1. Allgemeines
Mit einem Rollenprüfstandtest will man die beim Betrieb eines Fahrzeugs auf der Straße emittierten Schadstoffe bzw. den Kraftstoffverbrauch quantitativ erfassen, ohne dabei mit dem Fahrzeug Messungen im Straßenverkehr durchzuführen. Dabei wird versucht, den Betrieb im Straßenverkehr möglichst genau nachzubilden, davon ausgehend, dass die Ergebnisse auf dem Prüfstand und auf der Straße im Mittel gleich sind. Die Kräfte und die Geschwindigkeiten, die während des Tests herrschen, müssen also im Mittel denen im Straßenverkehr entsprechen.
Unter dieser Voraussetzung wird für die Verbrauchsermittlung bzw. für den Abgastest eine Fahrkurve (auch Fahrzyklus genannt) ermittelt, deren Verlauf der Geschwindig-keit und Beschleunigung die Fahrweise des Durchschnittsfahrers im Straßenverkehr so gut wie möglich nachbildet [1,2,3]. Bei der Entwicklung von Fahrkurven handelt es sich um eine komplexe Angelegenheit die noch später erläutert wird.
Es gibt weltweit verschiedene Fahrkurven. So wurde in Europa im Jahr 1971 mit der Richtlinie 70/220/EWG der Europäische Fahrzyklus, auch ECE-Zyklus (Economic Commission of Europe) genannt, eingeführt, welcher die Fahrten in europäischen Großstädten in guter Näherung simulierte (s. Abb. 2.1, Teil 1) [7]. Um sie dem Stand der Technik sowie den steigenden Anforderungen des Gesundheits- und Umweltschutzes anzupassen, wurde die angesprochene Richtlinie über Jahre hinweg in regelmäßigen Abständen modifiziert [10].
Es wurden nicht nur die Grenzwerte für die Schadstoffe immer weiter nach unten gedrückt, sondern auch Änderungen an dem Fahrzyklus selbst durchgeführt :
- Richtlinie 91/441/EWG vom 26.6.1991 (Anhang A) : der Europäische Fahrzyklus, der bisher nur einen Stadtzyklus beinhaltet hat, wurde um einen Überlandzyklus (EUDC = Extra Urban Driving Cycle) erweitert, um das Fahrverhalten in der Europäischen Union noch besser zu simulieren und die Schadstoffe auch im oberen Lastbereich des Motors zu berücksichtigen (s. Abb. 2.1, Teil 2). Der neue Fahrzyklus erhielt den Namen „Neuer Europäischer Fahrzyklus“ (NEFZ).
- Richtlinie 98/69/EWG vom 13.10.1998 (Anhang B) : die Leerlaufphase von 40 Sekunden bis zum Beginn der Abgasmessung, die das Warmlaufen des Motors bezwecken sollte, fiel weg. Die Messung begann nun direkt nach Motorstart, um den Kaltstart mit zu erfassen, da in dieser Phase der Schadstoffausstoß besonders hoch ist. Der NEFZ wurde damit in MNEFZ (Modifizierter Neuer Europäischer Fahrzyklus) umbenannt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.1. : Neuer Europäischer Fahrzyklus
2.2. Entwicklung von Fahrkurven
Es gibt zwei Arten der Fahrkurvenkonstruktionen, woraus auch zwei Typen von Fahrkurven resultieren, die sehr unterschiedlich aussehen [2] :
- Fahrkurven, die aus Aufzeichnungen und Messungen im Straßenverkehr entwickelt wurden, wie z.B. die Fahrkurve des US-75 Tests (s. Abb. 2.2) [7].
- Fahrkurven, für die ebenfalls Daten aus realen Fahrten herangezogen wurden, aus denen aber Abschnitte konstanter Beschleunigung und Geschwindigkeit synthetisch konstruiert sind, wie z.B. der Europäische Fahrzyklus (s. Abb. 2.1)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.2. : Fahrkurve des US-75-Tests
Diese Verfahren zur Fahrkurvenkonstruktion, die im folgenden geschildert werden, können auch miteinander kombiniert werden.
2.2.1. Entwicklung von Fahrkurven aus realen Fahrten
Bei der Entwicklung von Fahrkurven durch Auswahl von Teilen der Aufzeichnungen realer Fahrten muss zunächst entschieden werden, welche Verkehrssituation bzw. Verkehrsbedingungen simuliert werden sollen. Zum Beispiel sollten im Falle der HDC-Fahrkurve (High-Way Driving Cycle, s. Abb. 2.3) die Verhältnisse auf dem zügig befahrenen US-High-Way nachgebildet werden [7].
Dieser erste Schritt ist äußerst wichtig, weil er in höchstem Maße Einfluss auf das Ergebnis des Abgastests und der Kraftstoffverbrauchsmessung ausübt. Die Auswahl-kriterien sollten die auf bestimmten Straßentypen verursachten Belastungen der Umwelt durch Abgase und die Anzahl der betroffenen Personen sein. So können beispielsweise Straßen in der Stadtmitte und in Wohngebieten ausgewählt werden.
Nachdem die für den Zyklus geeigneten Strecken festgelegt wurden, führt man auf diesen Fahrversuche durch und zeichnet mit geeigneter Ausrüstung die gefahrenen Geschwindigkeiten und andere Daten als Funktion der Zeit auf. Dabei ist es wichtig, dass zu solchen Fahrversuchen sowohl Fahrer unterschiedlichen Fahrstiels als auch PKW unterschiedlicher Motorisierung eingesetzt werden. Auch sollte jeder Fahrer die gewählte Strecke mehrmals durchfahren, um gute statistische Ergebnisse zu bekommen [2].
Anschließend wird aus den vielen aufgezeichneten Fahrkurven eine einzige ausgewählt, die so gut wie möglich den Mittelwert des Fahrstils der vielen Fahrer mit unterschiedlichen PKWs repräsentiert. Hierzu wird nicht nur das Auge eines Fachmanns benötigt, sondern auch einige quantitative Beurteilungskriterien, die eine Fahrkurve summarisch kennzeichnen. Üblicherweise werden hierzu z.B. die mittlere Geschwindigkeit und die Zeitanteile von Stand, Beschleunigung, Verzögerung und Konstantfahrt herangezogen [2].
An der auf diese Weise ausgewählten Fahrkurve werden zum Schluss noch kleinere Änderungen vorgenommen, um z.B. die Belastbarkeit des Prüfstands nicht zu über-schreiten. Das Ergebnis ist eine Kurve wie im HDC-Fahrzyklus (s. Abb. 2.3).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.3. : High-Way Driving Cycle (HDC)
2.2.2. Entwicklung von synthetischen Fahrkurven
Eine weitere Möglichkeit eine Fahrkurve zu entwickeln, ist das Aufbauen eines Polygonzuges konstanter Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.
Zunächst wird genauso vorgegangen wie oben beschrieben. Es wird jedoch keine repräsentative Kurve ausgewählt, sondern die aufgezeichneten Geschwindigkeits-verläufe nach verschiedenen Verfahren in viele Fahrzustände zerlegt sowie ihre Häufigkeiten und die Art ihrer Aufeinanderfolge untersucht [2].
Fahrzustände lassen sich aus Fahrversuchen ermitteln. So wurde festgestellt, dass die mittlere Fahrgeschwindigkeit, die sich ohne weiteres ermitteln lässt, als Größe zur Beschreibung eines Fahrzustands am besten geeignet ist. Dies setzt voraus, dass die anderen Parameter (Standzeit, Beschleunigungszeit u.s.w.), die den Fahr-rhythmus charakterisieren, statistisch von der mittleren Geschwindigkeit abhängen. Zum Nachweis dieser Abhängigkeit wurden mit PKWs zahlreiche Fahrten im städtischen und außerstädtischen Verkehr gemacht und dabei unterschiedliche Verkehrssituationen erfasst. Es wurden die Geschwindigkeit, Drehzahl und Drossel-klappenstellung mit entsprechenden Messgeräten ermittelt und aufgezeichnet. Um das Ergebnis unabhängig von der individuellen Fahrweise zu machen, wurde der Test mit vielen Fahrern unterschiedlichen Fahrstils durchgeführt. Nachdem eine Vielzahl von Aufzeichnungen vorlag, wurden daraus die Zeitanteile Stand-, Beschleunigungs-, und Verzögerungszeit sowie konstante Geschwindigkeit bestimmt. Die Ergebnisse sind in den nachfolgenden Abbildungen Abb. 2.4. und Abb. 2.5. dargestellt [11].
Abb. 2.4. stellt die Abhängigkeit des Standzeitanteiles von der mittleren Fahr-geschwindigkeit dar. Zwar weisen die Messpunkte eine ziemlich große Streuung auf, eine eindeutige Abhängigkeit ist aber auf jeden Fall zu erkennen, sodass die eingezeichnete Kurve genau genug als statistischer Mittelwert interpretiert werden kann. Das Gleiche gilt für die Beschleunigungs- und Verzögerungsanteile sowie für den Anteil konstanter Fahrgeschwindigkeit. Diese Anteile werden wiederum in Abb. 2.5. zusammen mit dem Standzeitanteil in einem Diagramm dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass bei niedrigen mittleren Geschwindigkeiten (zähfließender Verkehr) der Anteil von Stand dominiert, wobei dieser mit steigender mittlerer Geschwindigkeit stark abnimmt. Der Anteil der konstanten Fahrgeschwindigkeit nimmt dabei selbstverständlich zu. Die Zeitanteile von Beschleunigung und Verzögerung nehmen bis zu einer mittleren Geschwindigkeit von ungefähr 45 km/h zu, erreichen dort ihr Maximum von ca. 14% und fallen darüber hinaus wieder gegen null.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.4. : Aus Fahrversuchen ermittelter Standzeitanteil im Straßenverkehr
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.5. : Zeitanteile verschiedener Betriebszustände des PKW-Verkehrs
Die Ergebnisse dieses Experiments verdeutlichen, dass die vereinfachte Beschrei-bung von Fahrzuständen durch die mittlere Geschwindigkeit zulässig ist.
Mit den dargestellten Daten können nun unzählige Fahrzustände simuliert werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Fahrzustand aus den aufeinanderfolgenden Phasen „Stand“, „Beschleunigung“, „konstante Fahrgeschwindigkeit“, „Verzögerung“, „Stand“ besteht und die nachstehenden Bedingungen erfüllt [11] :
- die zeitlichen Anteile der einzelnen Phasen des Fahrzustands sollen mit den im Straßenverkehr aufgenommenen Werten identisch sein,
- die mittlere Geschwindigkeit muss der im Straßenverkehr gemessenen entsprechen.
Des weiteren ist es notwendig für die Beschleunigungen und Verzögerungen passende Werte festzulegen, womit die charakteristischen Parameter eines Fahr-zustandes nach folgenden Formeln berechnet werden können [11] :
maximale Geschwindigkeit vk :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.1)
Fahrzustandsdauer tz :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.2)
gesamte Standzeit :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.3)
Beschleunigungs- und Verzögerungszeit :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.4)
Zeit konstanter Geschwindigkeit :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.5)
Dabei sind :
vm die mittlere Fahrgeschwindigkeit in [m/s]
b Beschleunigungs- bzw. Verzögerungswert in [m/s2]
ab,av Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsanteil an der Fahrzeit
ak Fahrzeitanteil bei konstanter Fahrgeschwindigkeit
Die errechneten Größen sind in Abb. 2.6 in Abhängigkeit von vm aufgetragen, aus der der jeweilige Fahrzustand ermittelt werden kann [11]. So würde z.B. ein Fahrzustand, der ein vm von 14 km/h aufweist, zähflüssigen Stadtverkehr und einer mit einem vm von 70 km/h flüssigen Verkehr auf Landstraßen simulieren.
Es wird deutlich, dass die Entwicklung von synthetischen Fahrkurven um einiges komplexer als die durch Auswahl von Teilen der Aufzeichnungen realer Fahrten ist. Diese Methode bedarf außerdem einen größeren Rechenaufwand, wobei man von der Streckenlänge weitgehend unabhängig ist und die resultierende Fahrkurve in weiten Grenzen variieren kann. Es darf jedoch nicht zu viel vereinfacht und schematisiert werden, da die Kurve sonst nicht mehr die realen Straßenbedingungen nachbildet [2] ! Die Beispiele für Fahrkurven, die nach diesem Verfahren entwickelt wurden sind der Europäische Fahrzyklus und die Japan-Testzyklen „11-Mode“ und „10-15-Mode“ (s. Abb. 2.7) [3].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.6.: Charakteristische Zeiten und maximale Geschwindigkeit eines Fahrzustandes
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.7. : Japan-Testzyklen
2.3. Beurteilungs- und Vergleichskriterien
Wie bereits erwähnt, sind Fahrkurven Geschwindigkeitskurven über der Zeit. Da aber ein Geschwindigkeitsverlauf allein eine Fahrkurve nicht charakterisiert, müssen Beurteilungskriterien herangezogen werden, die die Bewertung und den Vergleich zweier oder mehrerer Kurven ermöglichen. Diese sind in Tab. 2.1. zusammengefasst [2].
Dabei ist das wichtigste Kriterium die Durchnittsgeschwindigkeit vm gefolgt von der Durchschnittsgeschwindigkeit ohne Standanteile vm2.
Analysiert man die speziell für den Stadtverkehr entwickelten Fahrkurven nach all diesen Kriterien, so kommen Ergebnisse heraus, die der Tabelle Tab. 2.2. entnommen werden können [2].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 2.1. : Beurteilungskriterien zum Vergleich von Fahrkurven
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 2.2. : Werte für die Beurteilungskriterien einiger Fahrkurven
Bei der Betrachtung der Werte in Tab. 2.2. ist auffällig, dass sich der EFZ und der Japan 10-Mode bei einigen Kriterien wie z.B.
- Durchschnittsgeschwindigkeit,
- Durchschnittsgeschwindigkeit in den Fahrphasen,
- Zyklusdauer,
- Lastwechsel,
- und Leerlaufanteile
von den anderen vier Fahrkurven stark unterscheiden.
So ist am vm zu erkennen, dass sowohl die frühere Kalifornien-Fahrkurve als auch die US-72- und die US-75-Fahrkurve für „schnelleres Fahren“ konstruiert wurden, während der EFZ und der Japan 10-Mode für zíemlich „langsames Fahren“ gedacht sind. Dies ist nicht nur auf die geringere Durchschnittsgeschwindigkeit in den Fahrphasen vm2 zurückzuführen, sondern auch auf die erheblich höheren Standzeitanteile S, die wiederum die Durchschnittsgeschwindigkeit vm deutlich nach unten drücken. Dabei weist der EFZ die höchsten Stand- und Konstantfahrtanteile K auf.
Aber nicht nur Abweichungen in den Werten von Tab. 2.2. beschreiben die Unterschiede der einzelnen Kurven. So können beispielsweise die Häufigkeit des Auftretens von Geschwindigkeit und Beschleunigung in einem 3D-Diagramm dargestellt werden (s. Abb. 2.8) [2]. Hierbei werden die Häufigkeiten durch in Prozenten gekennzeichnete Flächen angegeben, die zeigen, zu welchem (groben) Anteil der Gesamtzeit welche Beschleunigungs- bzw. Geschwindigkeitswerte nicht überschritten werden.
Ein solches Diagramm vermittelt die Unterschiede zwischen den aus realen Fahrten entwickelten US-72- und US-75- und den synthetisch erstellten Fahrkurven (die restlichen vier), die an den Durchschnittswerten nicht erkennbar sind. Man sieht, dass die US-72- und US-75-Fahrkurve großflächige, verrundete Formen und die synthetischen Fahrkurven deutlich kleinflächigere Linien- und Punktstrukturen aufweisen. Also sind die Beschleunigungen und die Verzögerungen bei den US-Fahrkurven bis ca. 40 km/h viel größer als bei den vier anderen, was jedoch aus den mittleren Werten nicht hervorgeht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.8. : Häufigkeitsverteilungen von Geschwindigkeit und Beschleunigung verschiedener Fahrkurven
2.4. Abgas- und Verbrauchsprüfung
Bei einer Abgas- und Verbrauchsprüfung soll der Kraftstoffverbrauch von einem Fahrzeug und die dabei emittierten Mengen an Schadstoffen so exakt wie möglich bestimmt werden. Die Prüfung muss auf einem Fahrleistungsprüfstand unter bestimmten Bedingungen durchgeführt werden, die denen im praktischen Fahrbetrieb entsprechen. Sie sind in der aktuellen EWG-Richtlinie beschrieben (s. Anhang A und B). Der Vorteil einer Prüfanlage gegenüber Fahrten auf Straßen ist, dass mit den vorgeschriebenen Geschwindigkeiten des Fahrzyklus gefahren werden kann, ohne auf den Verkehr zu achten und die Prüfgeräte mit zu transportieren. Nur auf diese Weise lassen sich vergleichbare und reproduzierbare Ergebnisse erzielen [1,7,8,9].
Im folgenden wird der Ablauf der europäischen Abgas- und Verbrauchsprüfung sowie die Versuchsapparatur vorgestellt. Es wird der Fahrzyklus nach 91/441/EWG gefahren, die Durchführung der Prüfung erfolgt nach 98/69/EWG [13]. Die Details dazu können dem Anhang A und B entnommen werden.
2.4.1. Fahrleistungsprüfstand und Prüfablauf
Der Europa Test wird auf einem Fahrleistungsprüfstand gefahren (s. Abb. 2.9). Das Testfahrzeug wird mit den Antriebsrädern auf drehbare Rollen gestellt, die die geschwindigkeitsabhängig wirkenden Widerstandskräfte (Luftwiderstand und Rollwiderstand) mit Hilfe von Asynchronmaschinen, Gleichstrommaschinen oder Wirbelstrombremsen simulieren [1,2,7,8,9,17]. Zur Ermittlung der Bremsleistung wird das Fahrzeug bei vorgeschriebenen Bedingungen auf eine höhere Geschwindigkeit gebracht, als diejenige, für die der Gesamtwiderstand gemessen werden soll. Nach dem Auskuppeln wird die Verzögerungszeit des Fahrzeugs von der Geschwindigkeit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
gemessen, wobei DV [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] km/h ist.
Daraus lässt sich die Bremsleistung nach
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.6)
mit
P : Leistung in kW
V : Prüfgeschwindigkeit in m/s
DV : Abweichung der Geschwindigkeit von der Geschwindigkeit V in m/s
M : Bezugsmasse in kg
T : Zeit in Sekunden
berechnen.
Die Nachbildung des Beschleunigungswiderstands des PKWs wird entweder durch geeignete reale Schwungmassen oder durch eine elektrische Schwungmassen-simulation erreicht [1,2,5,6,7,8,9]. Im Falle der realen Schwungmassen ist eine äquivalente Schwungmasse vorgeschrieben, die abhängig von der Bezugsmasse des Testfahrzeugs gewählt wird (s. Tab. 2.3). Bei elektrischer Schwungmassensimulation muss nachgewiesen werden, dass deren Ergebnisse mit denen mechanischer Schwungmassen übereinstimmen (s. Anhang A, Anlage 4).
Um die Kühlung des Motors zu gewährleisten, wird die Prüfung bei offener Motorhaube durchgeführt, oder aber es wird vor das Auto ein Gebläse aufgestellt, das den Kühler mit einem ausreichenden Luftmassenstrom versorgt (s. Abb. 2.9) [2].
Das Fahrzeug muss vor Beginn der Prüfung so lange in einem Raum bei 20 bis 30°C stehen, bis das Motoröl und das Kühlwasser diese Temperatur erreichen. Erst dann kann der Test beginnen. Dazu fährt der Testfahrer die Fahrkurve des Europäischen Fahrzyklus nach, beobachtet die Soll- und die Istkurve auf einem Monitor und versucht innerhalb der Toleranz von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten1 km/h zu bleiben (s. Abb. 2.9). Wird eine größere Abweichung angezeigt, so ist die Messung ungültig und muss wiederholt werden. Deshalb ist es wichtig, dass der Fahrer sich vorher mit dem Auto vertraut macht und das Nachfahren der Fahrkurve übt, um den eigentlichen Test nicht unnötig oft zu wiederholen (dazu muss das Testfahrzeug wieder stundenlang bei 20 bis 30°C konditioniert werden !).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.9. : Fahrleistungsprüfstand für den Europa Test
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 2.3. : Äquivalente Schwungmassen in Abhängigkeit der Fahrzeugmasse
Die Abgase werden nach der CVS-Methode verdünnt und in entsprechenden Beuteln aufgefangen. In einem für den Stadt-, einem für den Überlandzyklus und einem für die Umgebungsluft, da diese immer einen bestimmten Anteil an den zu ermittelnden Schadstoffen beinhaltet. Um die Messergebnisse nicht zu verfälschen, werden dann die in der Luft enthaltenen Schadstoffmengen von denen des Stadt- und des Überlandbeutels abgezogen [5,6]. Die Auffangbeutel müssen aus einem Werkstoff bestehen, der den Gehalt der luftverunreinigenden Gase innerhalb von 20 Minuten um nicht mehr als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten2% verändert. Deshalb muss die Analyse der Gase spätestens 20 Minuten nach dem Test erfolgen.
2.4.2. Testfahrer
Wie schon angesprochen, hängt das Ergebnis des Prüfstandtests stark vom Testfahrer ab, da dieser als Bindeglied zwischen der Fahrkurve und dem Test-fahrzeug dient. Es kommt also immer darauf an, wie gut ein Fahrer die Fahrkurve nachfährt. Da bei Abgas- und Verbrauchsprüfungen unterschiedliche Fahrer eingesetzt werden, kommt es dementsprechend zu Abweichungen. Um den Menschen als Fehlerquelle auszuschließen wird heutzutage auch ein automatischer Fahrer (Fahrautomat) eingesetzt. Es ist eine Art Roboter, der mit dem Fahrersitz verbunden wird und über vier Bedienelemente verfügt. Und zwar für das Gas-, Brems-, Kupplungspedal und für die Betätigung des Schalthebels. In weiteren Ausführungen wird nämlich gezeigt, dass dieser den „mittleren“ Testfahrer gut repräsentiert [5,6]. Die Versuche mit verschiedenen Fahrzeugen haben ergeben, dass die Abweichungen von der Sollgeschwindigkeit bei konstanter Geschwindigkeit mit dem Fahrautomaten kleiner sind, als mit einem menschlichen Fahrer. Folglich ist der Mensch nur in Bereichen starker Beschleunigung bzw. Verzögerung etwas besser als die Maschine. Die Abbildungen 2.10 bis 2.13 zeigen den Vergleich zwischen Fahrautomat und sechs Testfahrern (Europa-Test) [2]. Bei mehreren Durchläufen des gleichen Tests reproduzieren weder der Fahrautomat noch ein Testfahrer exakt gleiche Ergebnisse. Diese schwanken jeweils mehr oder weniger um einen Mittelwert. Dabei weist der Fahrautomat aber immer eine relativ geringe Streuung seiner Ergebnisse auf und liegt mit seinem Mittelwert immer am nächsten dem Mittelwert aller Fahrer. Damit repräsentiert er mit ausreichender Genauigkeit den Durchschnittstestfahrer.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.10. : Vergleich Fahrautomat-Mensch für den Kraftstoffverbrauch
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.11. : Vergleich Fahrautomat-Mensch für HC
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.12. : Vergleich Fahrautomat-Mensch für CO
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.13. : Vergleich Fahrautomat-Mensch für NOX
2.4.3. CVS-Verdünnungsverfahren
Das CVS-Verdünnungsverfahren (Constant Volume Sampling, zu deutsch : Probeentnahme bei konstantem Volumen), das in Europa 1982 das Großbeutel-verfahren abgelöst hat, ist eine fortschrittliche Methode, die Abgase von Fahrzeugen zu sammeln. Sie wird weltweit einheitlich eingesetzt [1,2,3,5,6,7,8,9].
Die Abb. 2.14 zeigt das Prinzip dieses Verfahrens [13].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.14. : Fahrleistungsprüfstand mit CVS-Anlage
Das Abgas des Testfahrzeugs wird während des gesamten Tests dem Volumenstrom der von einem Roots- bzw. Drehkolbengebläse (s. Abb. 2.15) [18] geförderten Verdünnungsluft zugeführt (Verdünnungstunnel). Das Gebläse fördert erheblich mehr Umgebungsluft, als der maximal mögliche Abgasvolumenstrom. Dabei wird das Abgas in einem mittleren Verhältnis von 1:5 bis 1:10, das vom Motorbetriebspunkt abhängt, verdünnt. Da ein Rootsgebläse bei konstanter Drehzahl auch immer einen konstanten Volumenstrom liefert, ist der Volumenstrom aus Abgas/Verdünnungsluft zwangsläufig ebenfalls konstant. Diesem wird von Testbeginn bis Testende eine viel kleinere ebenso konstante Menge entnommen und in den Auffangbeuteln gesammelt. Die Schadstoffkonzentration in den Beuteln gleicht exakt dem Mittelwert der Konzentrationen im angesaugten Gesamt-Abgas-Luft-Volumen. Da die Umdrehungen des Rootsgebläses am Ende der Prüfung bekannt sind, lässt sich das gesamte Abgas-Luft-Volumen bestimmen [1,2,3,5,7,8,9,17].
Mit den Konzentrationen der jeweiligen Schadstoffe, die nach unterschiedlichen Verfahren ermittelt werden, können die emittierten Schadstoffmassen nach folgenden Gleichungen berechnet werden [5] :
Gesucht wird die Größe
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.7)
der jeweiligen Spezies i.
Die Schadstoffmasse, die während des gesamten Tests emittiert wurde, errechnet sich nach
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.8)
mit
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] : Massenstrom der Spezies i
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] : Dauer der Prüfung
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] : Molmasse der Spezies i
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] : Stoffmengenstrom der Spezies i
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] : Gesamtstoffmengenstrom
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] : Stoffmengenanteil der Spezies i
Nach Umstellen der idealen Gasgleichung erhält man
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.9)
was eingesetzt in Gleichung (2.8)
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.10)
ergibt.
Da der Druck p, die Temperatur T und der Volumenstrom [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] im Abgasentnahmesystem bekannt und konstant sind, lässt sich die Gleichung (2.10) umschreiben in
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.11)
Die Fahrstrecke [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] ist auch bekannt, womit sich die Größe [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] nun rechnerisch ermitteln lässt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.15. : Roots-/Drehkolbengebläse
Anmerkung :
Statt des Rootsgebläses können zur Volumenstrommessung auch überkritisch betriebene Venturi-Düsen (CFV=Critical Flow Venturi) mit einem Kreiselgebläse als Fördergerät verwendet werden (s. Abb. 2.16) [18]. Mit einem Venturirohr kann der Volumenstrom aus der Druckdifferenz an einer Querschnittsverengung bestimmt werden [2,5,18].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.16. : Venturi-Düse
Zum Schluss sollen nun die Vor- und Nachteile des CVS-Verfahrens aufgelistet werden [1,2,3,5,7,8,9] :
Vorteile :
- Durch die starke Verdünnung wird die Kondensation von Wasser verhindert, was zu einer Verminderung der Stickoxidverluste im Sammelbeutel führt.
- Die Verdünnung verringert die Reaktionen der Abgaskomponenten unter-einander (besonders HC).
- Alle stationären und instationären Fahrzustände werden erfasst.
Nachteile :
- Die Schadstoffkonzentrationen sinken infolge der starken Verdünnung, was den Einsatz empfindlicherer Messgeräte (Analysatoren) erforderlich macht.
- Die Aufschlüsselung der Emissionen nach Betriebszuständen des Motors kann nur mit weiteren Geräten realisiert werden.
2.4.4. Nichtdispersiver Infrarot-Absorptionsanalysator für CO und CO2 (NDIR)
Das Prinzip dieser Messung beruht auf der Tatsache, dass jedes Gas in einem für ihn charakteristischen Wellenlängenbereich (Absorptionsbande) elektromagnetische Strahlung absorbiert (aufnimmt). Je größer die Konzentration des bestimmten Gases in einem Gasgemisch, desto mehr Strahlung wird absorbiert.
Um die Konzentration von heteroatomigen Gasen zu bestimmen, wie z.B. CO und CO2, wird Infrarotstrahlung verwendet, deren Wellenlänge zwischen 0,78 mm und 340 mm liegt. Diese Gase absorbieren nämlich nur diese und keine andere Strahlung [2,5,7,8,9,12,17,18]. Beispielsweise liegt bei CO die Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von ca. 4,5 bis 4,9 mm (s. Abb. 2.17) [12].
Für das Messen von schädlichen Substanzen im Abgas von PKW wird die sogenannte nicht-dispersive Infrarot-Absorptionsanalyse (NDIR) durchgeführt (keine Zerlegung der Strahlung in ihr Spektrum). Abb. 2.18 zeigt das Schema eines nicht-dispersiven Infrarot-Absorptionsanalysators [18].
Das Gerät funktioniert folgendermaßen :
Infrarotstrahler durchstrahlen die Analysenkammer, in die das zu untersuchende Gas eingepumpt wird, und die Vergleichskammer, die ein Inertgas beinhaltet, das in diesem Wellenlängenbereich keine Strahlung absorbiert (z.B. Stickstoff). Die Küvetten und der Empfänger sind in Strahlrichtung mit Infrarotdurchlässigen Fenstern versehen. Durch das sich drehende Blendenrad wird erreicht, dass die Küvetten pulsierend durchstrahlt werden, sodass beim Empfänger lediglich Strahlungsimpulse ankommen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.17. : Absorptionsbanden verschiedener Gase
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.18. : Schema des NDIR
Die Filterküvette reduziert die Querempfindlichkeit des Messgeräts. Die Querempfind-lichkeit ist die Eigenschaft, auch auf eine andere Art von Gas zu reagieren, wodurch eine stärkere Absorption stattfindet und das Ergebnis verfälscht wird. Dies kommt dann zustande, wenn sich die Absorptionsbanden von Mess- und Störgas etwas überlappen (s. Abb. 2.17, z.B. H2O). Aus diesem Grund ist die Fliterküvette mit dem entsprechenden Störgas befüllt. Der Teil der Strahlung, der von dem Störgas absorbiert würde, wird also schon von vornherein herausgefiltert, sodass das Störgas im Abgas nicht mehr absorbiert. Die Empfängerkammern, die mit dem Messgas befüllt sind, werden durch eine Membran getrennt. Das Messgas, das die Infrarot-strahlung aufnimmt, erwärmt sich in der Kammer 2 stärker als in der Kammer 1, weil die Strahlung in der Analysenkammer schon teilweise aufgenommen wurde. Je mehr Strahlung in der Analysenkammer absorbiert wird, desto mehr von dem gesuchten Gas befindet sich darin und desto größer wird der Temperaturunterschied zwischen der Kammer 1 und 2. Eine Temperaturdifferenz verursacht auch eine Druckdifferenz (also : viel Absorption im Abgas ergibt wenig Absorption im Detektor, was zu einer großen Druckänderung führt), wonach sich die Membran in Richtung des niedrigeren Drucks biegt. Da die Erwärmung der Kammern pulsierend vonstatten geht, schwingt die Membran, die einen Membrankondensator darstellt, immer um ein bestimmtes Niveau herum. Dieses Niveau ist umso höher, d.h. die Membran durchbiegt sich mehr, je mehr Messgas in der Analysenkammer vorhanden ist. Aus den Schwingungen resultiert die Änderung der Kapazität, die in Wechselspannung umgewandelt und verstärkt sowie gleichgerichtet vom Anzeigegerät ausgegeben wird [2,3,5,7,8,9,12,17,18].
Das Gerät muss für die Messung eine Temperatur von ca. 60°C haben, damit die Schwankungen der Umgebungstemperatur das Ergebnis nicht verfälschen. Das zu analysierende Abgas wird vor der Analysenkammer auf etwa 2°C heruntergekühlt, damit Wasser herauskondensiert, das ebenfalls zu Fehlern führen kann.
Die Absorption ist exponentiell von der Konzentration abhängig (s. Abb. 2.19) [18]. Für kleinere Exponenten kann die Exponentialfunktion jedoch annähernd als eine Gerade angesehen werden, weswegen die Meßküvette so kurz wie möglich sein sollte.
Das Gerät muss vor jeder Benutzung mit einem Prüfgas kalibriert werden, von dem die Volumenkonzentration bekannt ist. Als Prüfgas ist nach Anhang A Anlage 6 gereinigter Stickstoff und CO bzw. CO2 vorgeschrieben.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.19. : Absorption der Strahlung in Abhängigkeit des Produkts aus Volumenkonzentration und Küvettenlänge
2.4.5. Chemilumineszenz-Analysator für NOX (CLA)
Das Prinzip dieses Verfahrens beruht darauf, dass durch chemische Reaktionen ein Lichtquant h n abgestrahlt wird, der mittels Photozelle registriert wird. Der damit zusammenhängende Reaktionsmechanismus soll nun im folgenden erläutert werden.
Ausgangsgleichung ist Gl. (2.12) :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.12)
Stickstoffmonoxid oxidiert mit Ozon zu Stickstoffdioxid. Es befinden sich etwa 10% im angeregten, instabilen Zustand, das restliche Stickstoffdioxid ist stabil, weswegen sich Gl. (2.12) in zwei weitere Gleichungen umschreiben lässt :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.13)
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.14)
(* bedeutet angeregter Zustand)
Die Moleküle im angeregten, also höheren Energiezustand geben ihren Energie-überschuss, den sie nicht unterbringen können, sofort in Form von Photonen h n nach Gl. (2.15) wieder ab.
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.15)
Der Photonenstrom ist proportional zur Stickstoffmonoxidkonzentration und liegt in einem Wellenlängenbereich von etwa 590 bis 3000 nm [2,3,4,5,6,18].
In Abb. 2.20 wird der Aufbau eines Chemilumineszenz-Analysators dargestellt.
Das zu untersuchende Gas strömt bei konstantem Volumenstrom in die Reaktions-kammer, da nur auf diese Weise die emittierten Lichtquanten proportional zur Konzentration der zu messenden Spezies sind. Da nach diesem Messprinzip lediglich die NO-Moleküle erfasst werden können, wird das im Probengas enthaltene NO2 vor Eintritt in die Reaktionskammer zu NO reduziert. Dies geschieht in dem Thermo-Konverter bei ca. 650 °C nach der Reaktionsgleichung :
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.16)
Das für die Reaktion nach Gl. (2.12) bzw. Gl. (2.13) und Gl. (2.14) benötigte Ozon wird im Ozonisator aus Sauerstoff mittels Ultraviolett-Strahlung erzeugt.
In der Reaktionskammer wird der Druck mit einer Vakuumpumpe auf etwa 10 mbar gehalten, da besonders bei niedrigen Stickoxidkonzentrationen die Anzeige stark schwanken kann. Die Reaktion nach Gl. (2.15) wird nämlich durch die Reaktion
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.17)
gestört. Bevor das NO2* einen Lichtquant abstrahlen kann, stößt es mit einem beliebigen Molekül M im Raum zusammen und gibt die Überschussenergie an dieses ab, was zu „weniger“ Lichtquanten führt. Hält man den Druck in der Reaktionskammer niedrig, so sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass das NO2* mit einem anderen Molekül zusammenstößt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.20. : Aufbau eines Chemilumineszenzanalysators
Die in der Reaktionskammer entstehende Strahlung, wird von dem Fotomultiplier in ein elektrisches Signal konvertiert, das in einem Rechner als Messwert angezeigt wird [2,3,4,5,6,18].
Hierbei muss das Gerät vor Beginn der Messung mit einem Prüfgas nach Anhang A Anlage 6 kalibriert werden, wofür NO und gereinigter Stickstoff vorgeschrieben sind.
2.4.6. Nichtdispersiver Ultraviolett-Resonanz-Absorptionsanalysator für NOX (NDUVR)
Üblicherweise wird für die Messung von Stickoxiden der oben besprochene Chemilumineszenz-Analysator verwendet. Die Richtlinie 91/441/EWG erlaubt jedoch auch den Einsatz des nichtdispersiven Ultraviolett-Resonanz-Absorptionsanalysators, der deshalb der Vollständigkeit halber angesprochen werden soll.
Das Prinzip ist das gleiche, wie das des nichtdispersiven Infrarot-Absorptions-analysators. Stickoxid absorbiert Strahlung im ultravioletten Bereich bei einer Wellenlänge von ca. 226 nm und emittiert beim Übergang in den stabilen Zustand auch dieselbe.
Bei einem Druck, der kleiner ist als der Umgebungsdruck, entstehen in einer mit Stickstoff und etwas Sauerstoff gefüllten Hohlkathodenlampe NO-Moleküle im angeregten Zustand, die beim Übergang in den stabilen Zustand Strahlung der Wellenlänge 226 nm abgeben. In der Messküvette wird diese Strahlung wiederum von dem NO absorbiert, weswegen von Resonanzabsorption gesprochen wird (Emissionsspektrum=Absorptionsspektrum). Die Abb. 2.21 stellt das Schema eines NDUVR dar [2].
Die Strahlung, die aus der Hohlkathodenlampe austritt, trifft auf ein rotierendes Blendenrad, das eine UV-durchlässige Öffnung und ein Gasfilter mit NO enthält. Das NO im Gasfilter absorbiert einen Teil der Strahlung, diese wird nur durch die zeitlich auftauchende Öffnung vollständig durchgelassen. Nach der Kollimatorlinse und dem Interferenzfilter trifft die Strahlung auf einen teildurchlässigen Spiegel, der einen Teil zu einem Vergleichsfotoempfänger durchlässt und gleichzeitig den anderen Teil zum Messfotoempfänger umlenkt. Vor Erreichen des Messfotoempfängers, durchläuft die Strahlung die Messküvette, durch die das Probengas kontinuierlich hindurch gepumpt wird. Das Messsignal wird mittels einer doppelten Quotientenbildung aus den Detektorsignalen ermittelt [2].
Der NDUVR wird nach Anhang A Anlage 6 mit NO und gereinigtem Stickstoff kalibriert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.21. : Schema eines NDUVR
2.4.7. Flammenionisationsdetektor für HC (FID)
Das Prinzip des Flammenionisationsdetektors beruht auf der Ionisation von Kohlenwasserstoffen in einer Wasserstofflamme. Dabei ist die Anzahl der Ionen gleich der Anzahl der Kohlenstoffatome in den Molekülen.
Der Flammenionisationsdetektor misst die Gesamtkonzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas. Das Gerät weist im Gegensatz zum FID keine Querempfindlichkeit gegenüber dem Wasserdampf auf, weshalb das Abgas vor der Messung nicht getrocknet werden muss. Die Leitung, durch die das Abgas läuft muss sogar beheizt sein (ca. 180 °C), damit die höher siedenden Kohlenwasserstoffe nicht herauskondensieren und das Messergebnis kleiner wird, als es in der Wirklichkeit der Fall ist. In der Abbildung 2.21 wird der Aufbau eines FID abgebildet [18].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2.21. : Aufbau eines FID
Der FID wird entweder mit Atmosphären- oder Unterdruck betrieben. Das Testgas wird dem Brenngas (Wasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Helium) zugeführt. Im Verbrennungsofen verbrennt das Brenngas/Abgas-Gemisch als Diffusionsflamme zwischen Anode und Kathode (Brennerdüse) an denen eine Spannung von 20 bis 200 V liegt. Die hierzu nötige Luft, gereinigte Umgebungsluft oder synthetisch aus Sauerstoff und Stickstoff hergestellt, wird separat in den Verbrennungsraum zugeführt. Sie darf auf keinen Fall Kohlenwasserstoff-Moleküle enthalten, da dies zu Messfehlern führen würde. Bei einer reinen Wasserstofflamme entstehen so gut wie keine Ionen, erst im Falle beigemischter HC werden deutlich mehr Ionen gebildet. Wegen der zwischen den Elektroden bestehenden Spannung werden diese zur Kathode hingezogen, wodurch ein Strom gemessen werden kann, der proportional zum C-Gehalt des Testgases ist. Um dies sicherzustellen, müssen die Volumenströme von Testgas, Brenngas und Luft konstant gehalten werden. Dabei darf nicht außer Acht gelassen werden, dass z.B. ein HC mit vier Kohlenstoffatomen einen doppelt so großen Ionenstrom hervorruft, wie eins mit zwei Kohlenstoffatomen. Aus diesem Grund kann nicht genau gesagt werden, welche HC im Abgas vorliegen, aber aus dem Verbrennungsgas kann auf die C1-normierte Summenformel C1Ha geschlossen werden [2,3,4,5,6,17,18].
Das Gerät muss nach Anhang A Anlage 6 mit Propan (C3H8) und gereinigter synthetischer Luft kalibriert werden.
[...]
- Citation du texte
- Dipl.-Ing. Thomas Gora (Auteur), 2004, Berechnung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemission von PKW im Europaeischen Fahrzyklus, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/37432
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