Die Bewertung zeigt, dass das Venturi-Durchflussmessgerät von systec Controls, unter den gegebenen Kriterien, am besten geeignet ist. Die Gründe sind zum einen, dass es die meisten Bedingungen, wie die Kosten, das Gewicht und die Schnittstelle sehr gut erfüllt und dabei keine gravierenden Nachteile aufzeigt. Das Flügelrad Durchflussmessgerät wird ausgeschlossen, da es durch die Partikel im Abgas beschädigt oder verschmutzt werden kann. Das Pitotrohr-Durchflussmessgerät von ist dem von systec Controls in den meisten Punkten ebenbürtig, allerdings sind das Gewicht und die Grösse als schlechter zu bewerten, was den eigentlichen Zielen widerspricht. Weiterhin sind die Kosten für das ausgewählte Messgerät nur halb so gross, wie die des Pitotrohrmessgeräts. Allerdings zeigt dieses Gerät eine noch bessere Genauigkeit. Ein zusätzlicher Vorteil des Venturi-Durchflussmessgerät von systec Controls ist, dass die Temperatur und der Druck im Abgas am Endrohr direkt mit aufgenommen wird, wodurch keine weiteren Sensoren für diese Messgrössen ausgewählt werden müssen.
Dieser Bewertung voraus ging eine erste Anfrage an systec Controls im Juli 2019 durch den Autor der Masterarbeit. Noch im gleichen Monat erfolgte die Detaillierung der technischen Auslegung. Ende November 2019 ging die kalibrierte Messstrecke von Puchheim, nahe München, auf den Weg zum KBA nach Flensburg. Eine zweite Messstrecke, speziell ausgelegt für geringe Durchflüsse folgte im Juli 2020.
TFI4 auf Ladeluftrohr mit integrierter Düse. Bild: systec Controls
Mit zwei Messstrecken genau unter allen Betriebsbedingungen
Die Venturi misst den Massenstrom der Tailpipe-Emission von Fahrzeugen im praktischen Fahrbetrieb. Ziel des Kraftfahrt-Bundesamtes ist es insbesondere die von einer NOx-Sonde gemessenen Konzentration gewichten zu können. Durch die zusätzlich gemessene Strecke, können die
Wobei NOx-Emissionen einer Messfahrt mit streckenbezogenen Grenzwerten in der Einheit mg/s angegeben werden. Die CO2 Daten stellen dabei einen auf den O2 Messungen modellierten Wert dar.
Der pulsationsunempfindliche Luftmassensensor
Eingesetzt wurde ein multivariabler Hochtemperatur Luftmassensensor der TFI4B-2P-Baureihe von systec Controls. Auf eine Venturi montiert misst der Sensor durch die vorher kalibrierten Flussgeometrien sehr genau statisch und dynamisch die Luftmasse, die durch den Motor strömt. Mit einer Abtastfrequenz von 2000 Hz können Pulsationen detektiert und Messfehler vermieden werden. Die Anwendung ist für Abgasmessungen konzipiert, also für Temperaturen bis zu 800°C. Da bei diesen hohen Temperaturen das Gehäuse der Sensorik zu schmelzen droht, wird es physisch von der Wärmequelle distanziert und die P+ und P- Anschlüsse über temperaturbeständige Schläuche realisiert. Die Temperaturmessung übernimmt ein PT1000 der zusätzlich in die Venturi eingebaut ist.
Messung nach Venturiprinzip in Abgasrückführung. Bild systec Controls
Für die erste Messstrecke, gedacht für hohe Durchflüsse bis zu 800kg/h, waren Druckverluste unter 10mbar gefordert. Dies erlaubt präzise Messungen für hohe und mittlere Flüsse. Die zweite Ausführung ist für Durchflüsse von ca. 50 bis 300kg/h ausgelegt bei max. 20 mbar bleibendem Druckverlust. Damit wird bei Standgas bis in den mittleren Lastbereich gemessen. Wichtig war auch die einfache Integration in die Messkonfiguration des KBAs über CAN-Bus. Anfangs erfolgte die Anbindung über die INCA-Softwareprodukte von ETAS als Werkzeug für Applikation, Diagnose und Validierung elektronischer Systeme im Fahrzeug, später über Datenlogger.
Im Stand und dynamischem Fahrbetrieb geprüft und validiert
Im praktischen Fahrbetrieb wurde das Ergebnis der Messungen der Venturi mit dem Emission Flow Meter (EFM) des Herstellers AVL verglichen. Es erfolgten sowohl Standtests als auch Fahrten im dynamischen Fahrbetrieb. Bei den Standtests wurden verschiedene Motordrehzahlen konstant gehalten, um konstante Volumenströme zu erzeugen. Daraufhin wurde diesen über eine Lineare Regression (Messwert EFM und systec Venturi) miteinander verglichen. Das Ergebnis war sehr gut, sodass das KBA den Kalibrierfaktor von systec Controls nicht korrigieren musste.
TFI mit snap-in Messumformer. Bild: systec Controls
Prüfung der Messgenauigkeit
Letztlich wurde das Screening-Tool experimentell bei Testfahrten validiert und unter Berücksichtigung der Messungenauigkeit qualitativ und quantitativ mit den PEMS-Messgeräten verglichen, bewertet und seiner Funktion verifiziert.
Um die Funktion des Mini-PEMS im Vergleich mit einem PEMS zu validieren, wurden Tests durchgeführt. So wurde die Venturi von systec Controls im Standtest und den in den untenstehenden Tabellen dargestellten Fahrten mit den Ergebnissen des PEMS verglichen. Damit wurde die Funktion des Screening-Tools unter normalen Betriebsbedingungen getestet. Dieser Test sollte auch feststellen, wie sich die kumulierten Ergebnisse unterscheiden, da anhand dieser Daten die Fahrzeuge auf ihre Grenzwerte hin bewertet werden konnten. Im praktischen Fahrbetrieb wurde das Ergebnis der Messungen der Venturi mit dem im PEMS eingesetzten Emission Flow Meter verglichen.
Tabellen: KBA
Daten zur Venturi
Mediumsdaten:
Mediumsbezeichnung Luft
Berechnungsmodell Kompressibilitätstabellen
Normdichte 1,2929 kg/Nm³
Normdichtentemp. n.a. °C
Betriebsdichte 0,9572 kg/m³
Isentropenkoeffizient 1,4020 –
Viskosität 0,0260 cP
Kompressibilität 1,0004 –
Normdichtendruck n.a. mBar
kritische Temperatur -140,6 °C
kritischer Druck 3780,0 kPa
Genauigkeit ≤0,5%
Rohrleitungsdaten:
Primärelementdaten Innendurchmesser 57,0 mm
Form Rohrleitung rund Innendurchmesser warm 57,1 mm
Durchfl.zahl C (ISO) 0,91540 –
Wandstärke 2,00 mm
Öffnungsverh. d/D beta (ISO) 0,7965 –
Öffnungsdurchmesser 45,400 mm
Primaerelementtyp:
Venturidüse
ImproveIT-Faktor 1,00000 –
Bemerkungen
Prozessdaten:
Absolutdruck Auslegung 1,300 bar/abs
Temperatur 200,0 °C
Durchfluss 750,00000 kg/h
Expansionszahl 0,9483 –
Reynolds 179E+03 –
Mediumsgeschwindigkeit 84,9252 m/s bleibender
Druckverlust 9,6575 mbar
Differenzdruck 68,0000 mbar
maximale Auslegung liegt bei 800 kg/h, die Norm auf 650 kg/h
Zusammenfassung
Dieser Beitrag beschreibt die Entwicklung und Realisierung eines Screening-Tools für die Abgasanalyse von Fahrzeugen im realen Fahrbetrieb. Das Screening-Tool soll eine schnelle Analyse bei geringen Kosten ermöglichen und dem Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) zur sinnvollen Analyse des Abgasverhaltens weitere messtechnische Möglichkeiten bieten. Dank dieses Tools soll die Zahl kostenintensiver Tests mit mobilen Emissionsmessgeräten (Portable Emission Measurement System, PEMS) reduziert werden. Das möglichst flexible und schnell montierbare System kann neben dem Abgasmassenstrom und den Umgebungsbedingungen auch verschiedene Bestandteile des Abgases, wie die Stickoxid (NOx)-Konzentration, die Ammoniak (NH3)-Konzentration und die Sauerstoff (O2)- Konzentration messen. Zusätzlich lassen sich die Kohlenstoffdioxid (CO2)-Konzentration und die zurückgelegte Strecke rechnerisch bestimmen. Das System wurde in Vergleichsmessungen in verschiedenen Szenarien mit einem PEMS verglichen, um so die Genauigkeit beurteilen zu können. Die Vergleichsmessungen zeigen, dass das Screening-Tool „Mini-PEMS“ eine ausreichend hohe Genauigkeit besitzt, um qualitative Aussagen zu ermöglichen. „Der Massenstrom Sensor überzeugte vor allem in seiner Genauigkeit selbst im dynamischen Fahrbetrieb aber auch mit einem guten Preis-Leistungsverhältnis“. Durch die Integration eines NH3-Sensors in das Mini-PEMS wurden die messtechnischen Möglichkeiten und die Analysemöglichkeiten des KBA zusätzlich erweitert.
Quellen:
Masterarbeit Phillip Sebastian Krause
Frank Wrobel, Referatsleiter "Feldüberwachung, Konformitätsüberprüfung CoP-P, Kraftfahrt-Bundesamt, Harrislee
systec Controls für techn. Daten Massensensorik
systec Controls
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