DE19753006A1 - Beurteilung von Grenzwertverletzungen in niedrig emittierenden Kraftfahrzeugen, wie ULEV und Euro III und IV, während der Fahrt - Google Patents

Beurteilung von Grenzwertverletzungen in niedrig emittierenden Kraftfahrzeugen, wie ULEV und Euro III und IV, während der Fahrt

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Description

1. Probleme bei der Erfüllung gesetzlicher Grenzwerte während der Fahrt
Die zunehmende Luftverunreinigung hat nahezu in allen Staaten dazu geführt, daß der Schadstoffausstoß begrenzt wurde und immer stärker limitiert wird /1, 2 und 3/. Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit zu garantieren, wurden Prüfverfahren erarbeitet. Nachteilig ist, daß viele Staaten unterschiedliche Prüfverfahren, Bewertungen und Grenzwerte festgelegt haben. Ein weiteres großes Problem ist, daß die verwendeten Testzyklen und Prüfbedingungen nur einen Teil der in der Realität auftretenden Fahrbedingungen abbilden können.
Der gegenwärtige Grenzwert für methanfreie Kohlenwasserstoffe (NMHC) liegt in den USA bei 0,25 g/Meile und gilt sowohl für das Zertifizierungsverfahren als auch für den Dauerlauf über 50 000 Meilen. Für den Dauerlauf über 100 000 Meilen ist ein höherer Wert von 0,41 g/Meile erlaubt. Mit dem Modelljahr 1999 verschärfen sich die Grenzwerte und verlangen die Einhaltung von 0,125 g/Meile bei den Non-Methan-Organic-Gasen (NMOG).
Die Einführung der Kategorie ULEV (Ultra-Low-Emission Vehicles) begann im US-Staat Californien zwar 1997, wird aber erst ab dem Jahr 2000 für größere Verkaufsmengen Pflicht. ULEV verlangt die Einhaltung eines Grenzwertes von 0,04 g/Meile bei NMOG.
In Europa soll ab 2000 ein HC-Grenzwert (EURO III) für Otto-PKW von 0,2 g/km eingefürt werden, der in 2005 (EURO IV) auf 0,1 g/km gesenkt wird.
Die Grenzwerte für ULEV und vermutlich für EURO III und IV können nur durch den Einsatz neuer Vor-Ort-Meßtechniken eingehalten und kontrolliert werden. Allerdings sind die im warmen Betriebszustand des Kraftfahrzeuges zu erfassenden Konzentrationen derart niedrig, daß die Meßsignale vom natürlichen Rauschen unterdrückt werden könnten. In der Literatur /4/ wurde ein Emissionmeßverfahren während der Fahrt beschrieben. In der vorliegenden Anmeldung wird eine Methode für die Beurteilung der Emissionsgüte des Kraftfahrzeuges anhand der Kaltstartemissionsphase erläutert.
2. Stand der Bestimmungstechnik des Schadstoffausstoßes
Auf dem Rollenprüfstand durchfährt das Fahrzeug einen vorgegeben Testzyklus. Zur Anwendung kommt das CVS-Meßverfahren (Constant- Volumen-Sampling) /5/. Während des Testzyklus werden die Abgase mit Umgebungsluft verdünnt und in Beuteln gesammmelt. Aus der Drehzahl des Gebläses und aus der Temperatur des Gases wird die Masse des Abgases bestimmt. Aus der geförderten Gasmasse und der gemessenen Konzentration des Schadstoffes im Abgas wird die Schadstoffmasse der jeweiligen Komponente berechnet, auf die entsprechende Testlänge bezogen und die Emissionswerte in Gramm Schadstoff pro km dargestellt.
Während der Fahrt wird heutzutage die unmittelbare Emission nicht gemessen. In den USA gibt es jedoch das On-Board-Diagnose (OBD) II-System für Personenkraftfahrzeuge, das verlangt, daß alle emissionsrelevanten Bauteile, wie Lambda-Sonde, Kraftstoff system, Sekundärluftsystem, Abgasrückführung, Tankentlüftung und die Erkennung von Verbrennungsaussetzern überwacht werden. Die Schadstoffkonzentrationen werden jedoch nicht gemessen, sondern indirekt mit geeigneten Sensorsignalen korreliert.
Dem Hersteller des Kraftfahrzeuges ist also überlassen, wie er im einzelnen die Überwachung vornimmt, bei der Grenzwertfestlegung wurde jedoch von bestimmten Technologien ausgegangen. Für den Dreiwegekatalysator gibt es nur einen Grenzwert für HC, dessen Einhaltung indirekt über das Sauerstoffspeicherverhalten des Katalysators überwacht wird. Dazu werden die Meßsignale zweier Lambdasonden vor und hinter dem Katalysator verglichen und das Signalverhältnis mit dem Konvertierungsverhalten für Kohlenwasserstoffe korreliert.
Zur Zeit ist nicht absehbar, ob diese Zwei-Sonden-Technik auch zur Katalysatorüberwachung bei ULEV und EURO III/IV-Otto-Pkw geeignet ist.
Diese Technik liefert keine Aussagen über den unmittelbaren HC- Ausstoß. In Kraftfahrzeugen mit immer niedrigeren Emissionsgrenzwerten scheint die unmittelbare Erfassung der Schadstoffkonzentration der günstigere Weg zu sein.
3. Vorschlag zur Erfassung des Schadstoffausstoßes während der Kaltstartphase
Die einzige Methode zur Bauteilüberwachung ist heute das OBD- Verfahren, auch wenn mit ihm keine unmittelbare Emisssionsmeßwerte erzielt werden. Einige Techniken zur Erfüllung der Anforderungen der OBD sind nur mit geringen oder gar keinen Extrakosten des zu überwachenden emissionsrelevanten Bauteils verbunden. Das trifft auf die allgemeine elektrische Überwachung (circuit continuity), die Analyse von sowieso verwendeten Sensorsignalen (Plausibilitätsprüfung von Meßwerten z. B. der Lambdasondenspannung) aber auch auf die Überwachung von Verbrennungsaussetzern zu. Die Überwachung des wichtigsten Bauteils, des Katalysators erfolgt jedoch nur indirekt und nur unter der Berücksichtigung der HC-Konzentration.
Die aus den den neuesten Gesetzen nach Punkt 1. entsprechenden Kraftfahrzeugen mit neuen Abgasreinigungstechniken, alternativen Kraftstoffen, mit Vorwärmung des Katalysator etc. emittierten HC- Konzentrationen bewegen sich beim fehlerfreien Zustand des Kfz-s im betriebswarmen Zustand um ca. 10 ppm. Der größten Alterungsgefahr ist unter den emissionsrelevanten Bauelementen der Katalysator ausgesetzt. Die Erhöhung des Schadstoffausstoßes bei einem thermisch vorgealterten Katalysator (z. B. 40 Stunden bei 110 °C) beträgt ca. 30 ppm. Die Schadstoffemission liegt also durchschnittlich bei 40 ppm während der Fahrt. Bei einem Grenzkatalysator, der den vorgegebenen Grenzwert von ULEV mit 0,040 (für 50 000 Meilen) bzw. 0,055 Gramm pro Meile (für 100 000 Meilen) erreicht, gilt etwa der Durchschnittswert von 60-70 ppm während der Fahrt, wenn alle sonstigen Bauelemente in Ordnung sind. (Die eben erwähnten Alterungenseffekte im Katalysator können durch sehr hochtouriges Fahrverhalten auch im Straßenverkehr unter natürlichen Bedingungen entstehen.)
Die Erfassung solcher feinen Veränderungen im Schadstoffausstoß ist unter den rauhen Bedingungen des täglichen Fahrbetriebes eines Kraftfahrzeuges besonders schwierig.
Es bieten sich zwei Alternativen an:
  • A) Messung der Schadstoffkonzentration hinter dem Katalysator im Abgasweg mit Hilfe eines sehr präzisen Meßinstrumentes während der Fahrt. Die Erkennung von Zunahmen von durchschnittlich 20-30 ppm ist zwar möglich, aber mit einem hohen meßtechnischen Aufwand verbunden, s. Fig. 1.
  • B) Erfassung des Schadstoffausstoßes während der Kaltstartphase. Fig. 2 zeigt das Fahrverhalten eines ULEV- Kraftfahrzeuges. Abgesehen von einer erhöhten Emission in der Kaltstartphase ist die HC-Konzentration sehr niedrig. Die während der Kaltstartphase, in den ersten 40-80 Sekunden nach dem Start meßbaren Konzentrationen sind, verglichen mit dem späteren niedrigen Niveau des Schadstoffaustoßes hoch. Sie betragen unter Umständen mehrere 1000 ppm. Somit sind sie meßtechnisch günstiger zu erfassen als die niedrigeren Konzentrationen während des späteren warmen Betriebes.
Die Erfassung dieser Phase hat den folgenden entscheidenden Vorteil:
Fehler im Abgassystem zeigen sich in dieser Phase besonders drastisch. Fig. 3 stellt die Verbreiterung des Kaltstartpeaks durch Alterung des Katalysators dar. Neben der Verlängerung der Emissionszeit mit erhöhter HC-Konzentration, die mit der notwendigen höheren Katalysatortemperatur zusammenhängt, nimmt auch die absolute Höhe der Schadstoffemission zu. Durch Verlust an aktiven Plätzen im Katalysator geht der Wirkungsgrad der Konvertierung zurück.
Natürlich können andere Effekte ebenfalls zur erhöhten Schadstoffemission führen, so ein Defekt bei der Vorwärmung des Katalysators oder Probleme im Verbrennungsmotor usw. Letzten Endes ist es für die Einhaltung der Grenzwerte egal, welche Bauelemente den Fehler verursachen. Die Fehler müssen anschließend durch die Auswertung der sowieso vorhandenen diagnostischen Daten oder durch eine weitere Untersuchung festgestellt und behoben werden.
Die Form und Größe des Kaltstartpeaks können das Fahrverhalten selbst der neuesten Kraftfahrzeuge, z. B ULEV, gut wiederspiegeln. Es empfiehlt sich,
  • - die Koordinaten des Maximums,
  • - die absolute Größe dieser maximalen Stelle im Peak,
  • - die Zeitdauer des Peaks und
  • - die Fläche (Integral) des Kaltstartpeaks
im bordeigenen Microcomputer festzuhalten, s.
Fig.
4. Jedes Kraftfahrzeug bekommt beim Verlassen des Produktionsbetriebes oder der Fachwerkstatt ein individuelles Kennfeld, das aus mehreren Kaltstarts als Durchschnitt gebildet wird. Die obigen vier Kenngrößen werden im Microcontroller des Kraftfahrzeuges gespeichert. Jede weitere Kaltstartphase wird mit diesem alten kraftfahrzeugspezifischen Kennfeld verglichen und die aufgetretenen Veränderungen werden bestimmt. Überschreiten die Veränderungen, wie Erhöhung der absoluten Höhe der Schadstoffemission, Verschiebung des Zeitpunktes des Maximums innerhalb des Peaks oder Verbreiterung der gesamten Fläche der Emission, (d. h. längere Aufheizphase) den vorgegebenen Grenzwert, so muß beim Erreichen der vorher eingegebenen Grenzwerte eine Alarmmeldung ausgelöst werden.
Unterschriften und Erläuterungen zu den Figuren
Fig. 1 Vergleich eines neuen und eines gealterten Katalysators am Prüfstand beim FTP-75 Zyklus
Fig. 2 Emission während des Kaltstartes und danach beim ULEV-Kraftfahrzeug
1 Konzentration an Kohlenwasserstoffen im Auspuff vor dem Starten
2 Starten des Kraftfahrzeuges
3 Konzentration an HC nach Warmwerden des Katalysators
Fig. 3 Verlängerung der Kaltstartzeit und Zunahme der absoluten Kohlenwasserstoffemission durch Alterung des Katalysators
Fig. 4 Erläuterung der bestimmenden Parameter für die mathematische Analyse der Kaltstartemission
1 Zeitpunkt Null beim Start
2 Maximale Emissionskonzentration in ppm oder g.m-3
3 Zeitliche Lage der Maximums nach dem Starten in sec
4 Zeitliche Länge der Kaltstartphase nach dem Starten in sec
5 Fläche (Integral) der Kaltstartemission, angegeben in ppm .sec-1
Literatur
/1/ Komission der Europäischen Gemeinschaft: Vorschlag für eine Richtlinie des Rates zur Änderung der Richtlinie 70/220/EWG zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedsstaaten über Maßnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Kraftfahrzeugemissionen
/2/ Schäfer, F.: Gesetzliche Vorschriften zur Schadstoff- und Verbrauchsbegrenzung bei PKW-Verbrennungsmotoren MTZ 52 (1991) 7/8
/3/ Stern, A. C.: University of North Carolina, History of Air Pollution Legislation in the United States, (1982) , S. 52-57
/4/ Patentanmeldung 197 36 864.6: Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen.
/5/ Umweltbundesamt: Kfz-Emissionen, Grenzwerte Vorschriften Mess­ ungen. Berlin 1989

Claims (5)

1. Verfahren für die Bestimmung der Einhaltung der Grenzwerte in heutigen und zukünftigen Kraftfahrzeugen mit niedrigem Emissionsniveau dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltstartphase als ausschlaggebender Abschnitt für die Beurteilung der Güte von abgasrelevaten Bauelementen herangezogen wird, wobei die Konzentration an Gaskomponenten, wie an Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffmonoxid (NO) mit Hilfe eines im Abgasstrom unmittelbar messenden Gasanalysators direkt, d. h. unmittelbar bestimmt wird.
2. Verfahren für die Bestimmung der Einhaltung der Grenzwerte in heutigen und zukünftigen Kraftfahrzeugen mit niedrigem Emissionsniveau dadurch gekennzeichnet, daß
die maximale Konzentration der jeweils gemessenen Komponente,
die Zeitdauer der Kaltstartphase nach dem Start,
die zeitliche Lage des Emissionsmaximums nach dem Start und
die Fläche (Integral) des Schadstoffausstoßes
während der Kaltstartphase als charakteristische Größen für die Beurteilung der Emissionseigenschaften des Kraftfahrzeuges angesehen werden.
3. Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß jedes Kraftfahrzeug bei der Qualitätskontrolle im Herstellungsbetrieb oder in einer Fachwerkstatt die Kaltstartphase mehrmals durchfahren muß und die während des Tests, beim fehlerfreien Zustand aller abgasrelevanten Bauelemente gewonnenen und als Durchschnittsgröße ermittelten Daten der im Anspruchspunkt 2 beschriebenen Parameter im bordeigenen Microcontroller gespeichert werden.
4. Verfahren nach Hauptanspruchspunkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei jedem Kaltstartvorgang neu gemessenen Daten der im Anspruchspunkt 2 beschriebenen Parameter mit dem, bei der letzten Qualitätskontrolle gespeicherten Parametern verglichen werden, wobei eine unerwünschte grenzwertverletzende Veränderung der Parameter zu einer Warnmeldunq führt.
5. Verfahren nach Hauptanspruchspunkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenhang zwischen dem Konzentrationsverlauf während der Kaltstartphase, gemessen in ppm Schadstoff und den vom Gesetz geforderten Grenzwerten für die Emission, angegeben in Gramm Schadstoff pro km-(oder Meile) Fahrtstrecke bestimmt werden muß.
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