DE19826179A1

DE19826179A1 - Kontrolle des Verbrennungsvorganges und der Abgasnachbehandlung in Zero-Emission Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE19826179A1
Application number: DE1998126179
Authority: DE
Original assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Current assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Priority date: 1997-11-30
Filing date: 1998-06-14
Publication date: 2000-05-04
Also published as: DE19809798A1; DE19753006A1; DE19753006C2; ZA9810857B

Abstract

Die Überwachung sehr niedrig emittierender Kraftfahrzeuge bereitet insofern Schwierigkeiten, daß die Erfassung der um Null herum schwankenden Meßsignale kaum möglich ist. Meist ist die Schwankungsbreite des Signals, verursacht durch Umwelteinflüsse, größer als das Meßsignal, s. Fig. 3. DOLLAR A Aus diesem Grunde wird ein Verfahren empfohlen, bei dem verschiedene künstliche Fehler im Verbrennungssystem vorgegeben werden. Der Befehl zum Einleiten des Fehlervorganges wird vom bordeigenen MSR-System ausgelöst. Die erhöhte Schadstoffkonzentration wird zuerst ohne Verdünnung, anschließend mit verschiedenen Verdünnungsstufen hinter dem Motor, aber noch vor dem Katalysator, erfaßt. Hinter dem Katalysator wird mit dem gleichen Meßgerät im Wechselbetrieb die wesentlich niedrigere Schadstoffkonzentration ebenfalls gemessen und mit den höheren, jedoch verdünnten, Konzentrationswerten nach den gleichen Prinzipien verglichen. DOLLAR A Weiterhin wird eine Methode zur Überwachung der Adsorptionsfallen empfohlen, bei der der Desorptionsvorgang als maßgebliche Prozeßgröße für die Güte des Verbrennungs- und für den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems betrachtet wird. Dabei werden die Höhe sowie die Fläche des Desorptionspeaks und der Charakter des zeitlichen Verlaufs des Desorptionsvorganges als ausschlaggebende Größe dargestellt.

Description

1. Einleitung

In den letzten Jahrzehnten wurden die Bestrebungen für die Minderung der Abgasemission deutlich verstärkt. Auf der ganzen Welt werden Forschungen betrieben, die alle das Ziel haben, den Schadstoffausstoß aus den Kraftfahrzeugen zu vermindern. Der Grund der Bemühungen ist die gewaltige Zunahme der Anzahl der Kraftfahrzeuge auf allen Kontinenten der Erde. Mit diesen Kraftfahrzeugen wird der uralte Traum der Menschheit wahr: die Mobilität. Somit ist auch nicht zu erwarten, daß die Menschen diesen Traum aufgeben werden. Die politischen Bestrebungen, die versuchen, den Verkehr und damit die Mobilität einzuschränken, sind Fehlentwicklungen. Der richtige Weg ist die Schaffung von solchen neuen Kraftfahrzeugen, und zwar im breitesten Sinne des Wortes "Kraftfahrzeug", die schadstoffarm sind, sparsam mit der Energie umgehen und in jeder Hinsicht intelligent verkehren.

Besonders viel hat man auf dem Gebiet der Abgasnachbehandlung getan. Es sind Katalysatorsysteme entwickelt worden, die innerhalb von einer Minute die volle Betriebstemperatur erreichen. Somit sinkt der Schadstoffausstoß auf ein Minimum, verglichen mit dem früheren Zustand, bei dem die Kaltstartemission den wesentlichsten Anteil der Gesamtemission ausmachte. Hier spielen Nachverbrennung, Nachbehandlung oder elektrische Beheizungen eine wichtige Rolle /1, 2 und 3/. Weiterhin sind Reduziersysteme entwickelt worden, bei denen eine zusätzliche Substanz zum Abgasstrom beigemengt wird und durch eine chemische Reaktion die erwünschte Veränderung der Zusammensetzung erreicht /4/. Nicht zuletzt sind die Adsorptionssysteme zu erwähnen, bei denen verschiedene Adsorptionsmassen verwendet werden. Diese Massen dienen zur Zurückhaltung von Schadstoffen in den ungünstigen Betriebsphasen der Kraftfahrzeuge. Eine Desorption der zurückgehaltenen Schadstoffe folgt dann im günstigen Betriebszustand. Solche Adsorptionsmassen werden für die Zurückhaltung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden auf Aktivkohlebasis oder auf Zeolithbasis verwendet /5 und 6/.

Ein besonderes Kapitel ist die gesetzgeberische Initiative. Hier sind ebenfalls große Aktivitäten zu verzeichnen, mit denen man versucht, immer schärfere Grenzwerte vorzuschreiben und somit sowohl die Kraftfahrzeugproduzenten als auch die Betreiber zu einem umweltfreundlichen Verhalten zu zwingen /7/.

2. Stand der Technik

Ein großes Problem bei all den obigen Bemühungen ist das Fehlen eines analytischen Systems, das es ermöglicht, den tatsächlichen Betriebszustand vor und nach dem Katalysator zu ermitteln. In letzter Zeit sind allerdings Meßsysteme beschrieben worden, mit denen man mehr oder weniger gut die Konzentration der wichtigsten Schadstoffe beobachten kann /8 und 9/. Es sind sogar Bemühungen im Gange, die es ermöglichen sollten, die steuerliche Einstufung der Kraftfahrzeuge oder der individuellen Fahnenreise zu bewerten /10 und 11/.

Man muß allerdings verstärkt betonen, daß die Entwicklung der Zukunft in Richtung Zero- Emission gehen muß und gehen wird. Selbst die besten, katalytischen Nachbehandlungssysteme produzieren noch so viele Schadstoffe, daß sich die dadurch verursachte Verschmutzung in den zukünftigen Ballungszentren als unhaltbar erweisen wird. Vor allem in der Kaltstartphase entstehen große Mengen an Schadstoffen, die die gesamte, spätere Emission im warmen Betriebszustand, verglichen mit der Anfangsphase, als unbedeutend erscheinen läßt. Beim Schadhaftwerden der einzelnen, verbrennungs- oder nachbehandlungstechnischen Elemente treten Schadstoffemissionen auf, die vollkommen aus dem Rahmen der schadstoffarmen und somit umweltfreundlichen Konzeption fallen.

Sicherlich wird die Zero-Emission nicht von heute auf morgen, sondern Schritt für Schritt erreicht. Aber auch Kraftfahrzeuge, die so gut wie keine Emissionen mehr haben, müssen überwacht werden. Es werden auch bei ihnen Betriebszustände entstehen, z. B. bei schadhaften Bauelementen, bei denen größere Emissionen als normal auftreten. Die Überwachung der Zero-Emission-Kraftfahrzeuge bildet den Schwerpunkt dieser Anmeldung.

3. Ausführliche Beschreibung des empfohlenen Lösungsweges

Das Verbrennungssystem eines Kraftfahrzeuges besteht hauptsächlich aus zwei Elementen:

- dem Motor und
- dem Abgasnachbehandlungssystem, s. Fig. 1

Die Meßwerte hinter dem Motor (1) geben Auskunft über den Verbrennungsvorgang, die Meßsignale hinter dem Katalysator über den Zustand des Abgasnachbehandlungssystems (2). Die Konzentration der wichtigsten Schadstoffe sieht an diesen beiden Stellen sehr unterschiedlich aus. Hinter dem Motor herrschen Konzentrationen, die 10-100 mal höher liegen als hinter einem technisch einwandfrei funktionierenden Katalysator, s. Fig. 2.

Das hier beschriebene Meßsystem muß an beiden Stellen aktiv Werte aufnehmen.

3.1. Kraftfahrzeuge mit nahezu Zero-Emission

Bei diesen Kraftfahrzeugen herrschen sehr niedrige Emissionsraten hinter dem Katalysator. In einem guten Kraftfahrzeug, im betriebswarmen Zustand, liegen die Konzentrationswerte nahezu bei 0 ppm. Hier können keine Unterschiede zwischen dem vollbelegten Zustand mit 4 Personen und dem Einmannbetrieb wahrgenommen werden /10/. Es ist auch falsch, die Fahrweise als steuerliche Belastungsgröße zu definieren. Die ökologisch besten Kraftfahrzeuge, die Ultra-Low-Emission-(ULEV) Kraftfahrzeuge, sind derart schadstoffarm konstruiert, daß man hier die wildesten und unvernünftigsten Fahreffekte am Motor kaum mehr am Abgasausstoß merken kann, weil der Katalysator meist sehr großzügig ausgelegt ist. Genauso schadstoffarm werden die europäischen Kraftfahrzeuge nach der Einführung der EURO III- und der EURO IV-Stufe sein /12/. Als Beispiel steht hier die in Fig. 3 dargestellte Fahrtkurve, die nach dem amerikanischen US 75-Zyklus in einem LEV-Kraftfahrzeug aufgenommen wurde. Im Bild sieht man nach der Kaltstartphase, trotz Brems- und Beschleunigungseffekten, kaum eine Emission. Allein anhand der Konzentrationswerte ist der Nachweis eines kleineren oder schleichenden Schadens in diesen Kraftfahrzeugen kaum möglich. Man mißt nämlich Meßsignale um den Nullpunkt herum, die allerdings einer natürlichen Schwankung ausgesetzt sind. Hier kann man die Konzentrationszunahme, hervorgerufen durch einen kleineren Motorschaden, kaum von einer Zunahme der Rauschbreite, verursacht durch äußere Einflüsse, unterscheiden.

Hier hilft die Anwendung der Anreicherungs- und Verdünnungstechnik. Bereits die Alchimisten kämpften mit der Erfassung von sehr kleinen bzw. sehr großen Konzentrationen. Man muß zu Hilfsmethoden greifen, die den zu beobachtenden Vorgang in beiden Fällen in eine erfaßbare Größenordnung bringt.

Dazu werden zwei Methoden empfohlen:

a) Man nehme an, in einem sehr niedrig emittierenden Kraftfahrzeug muß man die Güte des Verbrennungs- und des Abgasnachbehandlungssystems erfassen. Das Meßsignal schwingt bei der Messung um die Null-Linie herum, s. Fig. 4. Um den Zustand richtig erfassen zu können, muß man einen definierten Fehler, z. B. im Verbrennungsvorgang, modellieren. Diese modellhafte Vorgabe eines Defektes im Verbrennungssystem kann zu definierten Schadstoffkonzentrationen nach dem Motor führen. Der daraus resultierende Schadstoffstoß kann vor und nach dem Katalysator gemessen werden.

Dazu wird das Abgas zuerst nach dem Motor, aber noch vor dem Katalysator, an der Entnahmestelle 1 (3), entnommen, s. Fig. 1. Dieses Gas ist unbehandelt und enthält die echten Meßsignale für die Charakterisierung des Motorzustandes. Hier kann man unter Umständen eine Verdünnungsreihe ansetzten. Wie soll dieser Schritt erfolgen? Zuerst wird die etwaige Sprungfunktion vor dem Katalysator im unverdünnten Abgasstrom erfaßt. Nach dieser ersten Messung werden eine zweite und eine dritte, nach Bedarf sogar mehrere Messungen mit immer stärker verdünntem Abgas vorgenommen. Dabei wird mit Hilfe einer kleinen Luftpumpe (4) saubere Umgebungsluft, wenn nötig gefilterte und von den Schadstoffen befreite Umgebungsluft in das Analysesystem (5) gemischt, s. Fig. 5.

Es empfiehlt sich, die künstliche Fehlermodellierung pro Fahrt einmal durchzuführen. Bei sehr kurzen, kleinen Stadtfahrten sollte nicht pro Fahrt, sondern in größeren Zeitabständen, z. B. nach einer bestimmten Kilometerzahl, gemessen werden.

b) Hinter dem Katalysator kann man die Messungen ohne Verdünnung durchführen. Aus den beiden Meßreihen, vor und hinter dem Katalysator, kann man sowohl den Zustand des Verbrennungssystems als auch des Nachbehandlungssystems gut erfassen, s. Fig. 6. Die wechselweise erfolgende Belastung des Analysatorsystems mit Abgasen von den Meßstellen vor und nach dem Katalysator (hohe und niedrige Schadstoffkonzentrationen) spart Mittel und Platz im Kraftfahrzeug, weil nur ein Meßgerät mit einem angepaßten Meßbereich eingesetzt werden muß. Dieses Meßgerät wird dem Meßbereich der Konzentration nach dem Katalysator entsprechend ausgelegt. Die Konzentration vor dem Katalysator mit dem hohen Meßbereich kann durch die Verdünnung angepaßt und dadurch im gleichen Meßgerät mit der feineren Auflösung erfaßt werden.

3.2. Zero-Emission Kraftfahrzeuge

Es bietet sich an, die zukünftige Generation von Kraftfahrzeugen mit Adsorptionsfallen auszurüsten. Die Technik in diesen Kraftfahrzeugen wird so weit entwickelt sein, daß die Emissionsspitzen, wie im Kaltstart, nur sehr kurzzeitig auftreten werden. Es ist naheliegend, diese Schadstoffstöße grundsätzlich in einer Adsorptionsmasse aufzufangen und nicht in die Atmosphäre ausströmen zu lassen. Diese Technik liegt in den Anfängen bereits vor und wird in manchen Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Was passiert jedoch bei der Erschöpfung der Adsorptionsmasse?

Wie merkt man die heranschleichende Alterung der Masse?

Und vor allem, was kann man tun, wenn durch Schadhaftwerden gewisser Bauelemente im Kraftfahrzeug eine erhöhte Schadstoffkonzentration auftritt?

Dazu müssen Messungen an den desorbierten Abgasen vorgenommen werden. Wenn z. B. Kohlenwasserstoffe in einer Adsorptionsmasse zurückgehalten werden, so wird eine Desorption nach Warmwerden des Verbrennungs- und Abgasnachbehandlungssystems vorgenommen. Die Adsorptionsmasse dient dabei im analytischen Sinne als Probesammler und Probeanreicherungsmasse. Aus der Zeitdauer und der Menge der desorbierten Kohlenwasserstoffe kann man den Zustand der Adsorptionsmasse erfassen, s. Fig. 7. Wenn die Desorption bei definierten und konstanten Desorptionsbedingungen zeitlich verzögert abläuft oder die Menge der Schadstoffe zu wenig oder zu viel wird, bedeutet dieses einen Fehler im Verbrennungs- oder im Abgasnachbehandlungssystem, evtl. sogar in beiden Systemen. Die Adsorptionsmasse ist normalerweise keiner großen Belastung ausgesetzt. Da Aktivkohle oder Zeolithe sehr robuste mechanische Eigenschaften und eine hohe Stabilität gegen mehrmalige Ad- und Desorptionsvorgänge haben, lebt eine Adsorptionsmasse normalerweise sehr lange.

Anders sieht das Problem aus, wenn durch das Schadhaftwerden eines Elementes im Kraftfahrzeug erhöhte Konzentrationen entweder vor oder nach dem Katalysator gemeldet werden. Vor dem Katalysator bedeutet diese Meldung einen Fehler im Verbrennungssystem, der allerdings auch zu einer dauerhaften Überbelastung des Katalysators und letzten Endes zur Verschlechterung der Konvertierungsrate im Katalysator führen kann. Eine erhöhte Konzentration ausschließlich hinter dem Katalysator deutet auf einen Fehler im Katalysator hin, s. Fig. 8. In diesem Falle wird eine erhöhte Schadstoffmenge in die Außenwelt gestoßen. In beiden Fällen muß dringende Hilfe in einer Fachwerkstatt geholt werden.

In diesen beiden Fällen muß die Adsorptionsmasse sofort, ähnlich wie während der Kaltstartphase, aktiviert und in den Abgasweg geschaltet werden. Bei dieser Betriebsweise ist die Gefahr der Erschöpfung wesentlich größer als im fehlerfreien, normalen Betrieb. Hier hat die Überwachung des Alterungszustandes des Katalysators durch die Beobachtung des Desorptionsvorganges eine wichtige Funktion.

Verzeichnis der Figuren

Fig. 1 Hauptbestandteile des Verbrennungssystems im Kraftfahrzeug
1 Motor
2 Abgasnachbehandlungssystem mit Katalysator, Schaudämpfer und Auspuffrohr
3 Entnahmestelle 1
4 Verdünnungspumpe
5 Analysatorsystem

Fig. 2 Erfassung der Schadstoffkonzentration vor und hinter dem Katalysator in einem Otto- Motor-Kraftfahrzeug

Fig. 3 Fahrtkurve eines amerikanischen US 75-Testzyklus (oben) mit der zugehörigen Schadstoffemission (unten)

Fig. 4 Rauschen des Nullpunktes in einem IR-Gasanalysator im On-Board-Betrieb

Fig. 5 Meßaufbau mit Verdünnungsstufe zur Überprüfung des Katalysators

Fig. 6 Meßergebnisse einer Konzentrationsbestimmung vor- und nach dem Katalysator mit Verdünnung

Fig. 7 Desorptionskurven mit den wichtigsten Parametern

Fig. 8 Zündaussetzer im Motor und verschiedene Katalysatorzustände anhand von Emissionsverläufen hinter dem Katalysator

Literatur

/1/ Meder, G., Braun, H -St., Krauß, M, Rickert, G.: Auslegung von Katalysator, Sensorik und Software für zukünftige OBD-Anforderungen in USA und Europa. MTZ Motortechnische Zeitschrift 58 (1997) 4, s. 214-220
/2/ Maus, W., Brück, R.: Abgasnachbehandlung moderner Katalysatortechnologie. Emitec GmbH, Manuskript
/3/ Umweltbundesamt Berlin: HDV 2000. Requirements, Technical feasibility and Costs of Exhaust Emission Standards for Heavy Duty Vehicte Engines for the Year 2000 in the European Community. Juni 1996
/4/ VDI Nachrichten: Brummis ohne Laster. Ein neuentwickelter Stickoxid-Katalysator für Dieselmotoren könnte eines der drängendsten Umweltprobleme lösen. Siemens AG
/5/ Daimler-Benz Umweltbericht 96: Abgase ersticken, S. 29.
/6/ Schäfer, F., von Basshuysen, R.: Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von Pkw Verbrennungsmotoren. Springer Verlag 1993, S. 105
/7/ Beschluß über den Gemeinsamen Standpunkt des Rates im Hinblick auf den Erlaß einer Richtlinie des Europäischen Parlamentes und des Rates über Maßnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Emissionen von Kraftfahrzeugen und zur Änderung der Richtlinie 70/220/EWG des Rates
/8/ Patentanmeldung 198 21 136.8: Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen
/9/ Kato, N., Hamade, Y., Kurachi, H.: Performance of Thick Film NOx-Sensor on Diesel and Gasoline Engines. NGK Insulators, Ltd. S. 199-206
/10/ Offenlegungsschrift DE 40 05 803 A1: Verfahren und Anordnung zur Erfassung und Bewertung von Abgasemissionen
/11/ Offenlegungsschrift DE 196 05 053 A1: On-Board-Diagnose/OBD/-Verfahren und Vorrichtung im Mikromaßstab zur kontinuierlichen Messung des Schadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen
/12/ Klingenberg, H.: Automobil-Meßtechnik. Band C: Abgasmeßtechnik. Springer Verlag 1995

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Güte des Verbrennungsvorganges und der Funktionstüchtigkeit des Abgasnachbehandlungssystems in sehr niedrig emittierenden Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß künstlich und bewußt erzeugte Fehler im Kraftfahrzeug modellhaft vorgegeben werden, die zu einer definierten und bekannten Erhöhung der Schadstoffkonzentration nach dem Motor führen, wobei der Maximalwert, die integrierte Fläche und der Charakter des zeitlichen Verlaufs des Fehlers mit einem im boardeigenen Mikrokontroller des Kraftfahrzeuges vorher gespeicherten Konzentrationsverlauf verglichen werden.

2. Maßnahme als Nebenanspruch entsprechend dem Hauptanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es empfehlenswert ist, dis modellhafte Fehlersimulation pro Fahrt einmal, bzw. bei sehr kleinen Strecken bzw. kurzen Fahrten, z. B. im städtischen Bereich, in größeren Zeitabständen, gesteuert vom boardeigenen Mikrokontroller, durchzuführen.

3. Verfahren für die Erfassung von großen Konzentrationen an Schadstoffen, hauptsächlich hinter dem Verbrennungssystem und vor dem Katalysator, dadurch gekennzeichnet, daß die hier auftretenden hohen Konzentrationen durch eine Verdünnungsreihe in mehreren Stufen zeitlich nacheinander erfaßt werden, wobei als Verdünnungsmedium saubere Umgebungsluft genommen und mit Hilfe eines beliebigen Pumpsystems dem Abgas beigemischt wird, und parallel zu dieser Messung nach dem Katalysator ebenfalls gemessen wird und die hier gewonnenen Meßwertverläufe nach dem gleichen Prinzip, wie vor dem Katalysator ausgewertet und die beiden vor und nach dem Katalysator gewonnenen Verläufe miteinander verglichen werden.

4. Maßnahme als Nebenanspruch entsprechend dem Anspruchspunkt 3, dadurch gekennzeichnet, daß das beschriebene Meßgerät auch im Wechselverfahren, einmal für das unverdünnte, später dann für das verdünnte Motorabgas und anschließend für das im Katalysator nachbehandelte, schadstoffarme Abgas benutzt werden kann.

5. Verfahren zur Minderung des Schadstoffausstoßes von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Adsorptionsfallen nicht nur während der Kaltstartphase, sondern auch in Notsituationen, z. B. beim Schadhaftwerden eines Bauelementes im Kraftfahrzeug, vorübergehend für das Auffangen der erhöhten Schadstoffkonzentration im Abgasstrom hinter dem Katalysator benutzt werden.

6. Maßnahme als Nebenanspruch entsprechend dem Anspruchspunkt 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwendung der Adsorptionsmassen als Zurückhaltungsorgane nur im Notfall, zeitlich sehr begrenzt, bis zum unmittelbaren Besuch der nächsten Reparaturwerkstatt, erfolgen darf.

7. Verfahren für die Überprüfung des Verbrennungs- und des Abgasnachbehandlungssystems, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsfalle, die die erhöhte Konzentration an Schadstoffen sowohl während der Kaltstartphase als auch im defekten Zustand der einzelnen Bauelemente im Kraftfahrzeug zurückhalten soll, durch ein unmittelbares Meßsystem während der Desorptionsphase überwacht wird, wobei der Maximalwert und die integrierte Fläche des Desorptionspeaks sowie der Charakter des zeitlichen Verlaufs des Desorptionsvorganges Auskunft über die Güte des Abgasnachbehandlungssystems, evtl. sogar des Verbrennungssystems, liefern können, wenn dieser Verlauf mit einem bereits vorher gemessenen und qualitativ für "gut" gefundenen Desorptionsverlauf verglichen wird.

8. Maßnahme als Nebenanspruch entsprechend einem der vorhergehenden Anspruchspunkte, dadurch gekennzeichnet, daß nicht nur unmittelbar gemessene Kennlinien im Kraftfahrzeug gespeichert werden können, sondern die typischen und statistisch abgesicherten Verläufe, die dem Baujahr und Typ des Kraftfahrzeuges entsprechen, wodurch eine Überwachung älterer Kraftfahrzeuge mit nachgerüsteten Meßsystemen, ohne zusätzliche spezielle Meßreihen für die Bestimmung des tatsächlichen "guten" Betriebszustandes, durch Vergleich mit dem von Fachinstituten festgelegten und öffentlich zugänglichen, fahrzeugtypischen "guten" Betriebszustand, ebenfalls möglich ist.

9. Maßnahme als Nebenanspruch entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolle der Fahrweise eines jeden Fahrers im beschränkten Umfang dadurch möglich ist, daß die Meßwertverläufe beim künstlich erzeugten Fehler im Verbrennungssystem oder bei den Desorptionsvorgängen der Adsorptionsmasse im einwandfreien Betriebszustand die Beurteilung der Fahrweise ermöglichen und zu entsprechenden Schlußfolgerungen führen können.