Modul Applikationsentwicklung Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch. Dipl.-Ing. M.Graf

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1 Modul Applikationsentwicklung Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch Dipl.-Ing. M.Graf

2 Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch Gliederung 1. Einleitung 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 1. Die Abgasgesetzgebung 2. Das Katalysatorheizen 3. Das Sekundärluftsystem 4. Die Partikelemission 5. Die Übergangskompensation 6. Die Tankentlüftung 3. Schluss 1. Ausgewählte Verständnisfragen 2

3 Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch Gliederung 1. Einleitung 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 1. Die Abgasgesetzgebung 2. Das Katalysatorheizen 3. Das Sekundärluftsystem 4. Die Partikelemission 5. Die Übergangskompensation 6. Die Tankentlüftung 3. Schluss 1. Ausgewählte Verständnisfragen 3

4 1. Einleitung Einordnung der heutigen Vorlesung in das beispielhafte Applikationsprojekt Ausschnitt aus Projektzeitplan Stand der Vorlesung Rückblick: Projektzeitplan Basisapplikation am Prüfstand Die Startapplikation Die Fahrbarkeitsapplikation Heutiger Vorlesungsinhalt Abgas und Kraftstoffverbrauch 4

5 Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch Gliederung 1. Einleitung 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 1. Die Abgasgesetzgebung 2. Das Katalysatorheizen 3. Das Sekundärluftsystem 4. Die Partikelemission 5. Die Übergangskompensation 6. Die Tankentlüftung 3. Schluss 1. Ausgewählte Verständnisfragen 5

6 2.1. Die Abgasgesetzgebung Die weltweite Abgasgesetzgebung Vorreiter bei der gesetzlich begrenzten Schadstoffemission war Kalifornien, nachgezogen haben alle anderen Industriestaaten mit eigenen Grenzwerten und Prüfmethoden: CARB, Kalifornien EPA, USA EU-Gesetzgebung Japan Gesetzgebung Die Klasseneinteilung In den Staaten mit Abgasvorschriften besteht eine Unterteilung der Fahrzeuge in verschiedene Klassen Pkw Test auf Rollenprüfstand Leichte Nkw (bis 3,5 6,35t) Test auf Rollenprüfstand Schwere Nkw Test auf Motorprüfstand Off-Highway (z.b.baufahrzeuge) Test auf Motorprüfstand 6

7 2.1. Die Abgasgesetzgebung Die weltweite Abgasgesetzgebung / Euro 6 7

8 2.1. Die Abgasgesetzgebung Die Prüfverfahren Je nach Staat, Fahrzeugklasse und Zweck der Prüfung werden drei vom Gesetzgeber festgelegte Prüfungen angewendet Type Approval (TA) zur Erlangung der Allgemeinen Betriebserlaubnis Conformity of Production (COP) als stichprobenartige Serienprüfung der laufenden Produktion Feldüberwachung zur Überprüfung bestimmter Abgaskomponenten im Fahrbetrieb Die Testzyklen Für Pkw und leichte Nkw sind länderspezifisch unterschiedliche dynamische Testzyklen vorgeschrieben Zur Bestimmung der emittierten Schadstoffmassen wird der festgelegte Geschwindigkeitsverlauf auf der Rolle nachgefahren Während der Fahrt wird das Abgas gesammelt und am Ende des Fahrprogramms hinsichtlich der Schadstoffmassen analysiert 8

9 2.1. Die Abgasgesetzgebung Europäischer und weltweiter Zyklus US und Japan Zyklus Vehicle Speed / (km/h) EU: NEDC Vehicle Speed / (km/h) US - FTP Vehicle Speed / (km/h) WLTP Vehicle Speed / (km/h) Japan - JC time/(s) Time / s EU NEDC: Time WLTP: / s FTP 75: JC-08: 2000 time/(s) Strecke: 11,008 km V max : 120 km/h Beschl.: 0,52 m/s 2 Leerlaufanteil: 28,2% Strecke: 23,06 km V max : 125,5 km/h Beschl.: 1,77 m/s 2 Leerlaufanteil: 13,1 % Strecke: 17,8 km V max : 91,2 km/h Beschl.: 0,49 m/s 2 Leerlaufanteil: 17,9 % Strecke: 8,2 km V max : 81 km/h Beschl.: 0,42 m/s 2 Leerlaufanteil: 29,7 % 9

10 2.1. Die Abgasgesetzgebung EU Abgasgesetzgebung Der Europäische Testzyklus Fahrzeugkonditionierung Das Fahrzeug wird bei C für mindestens 6 Stunden abgestellt (Typ VI-Test mit -7 Starttemperatur) Sammeln der Schadstoffe Das Abgas wird während zwei Phasen (UDC bis 50 km/h und EUDC) in Beuteln gesammelt Auswertung Die ermittelten Schadstoffmassen werden auf die zurückgelegte Wegstrecke bezogen 10

11 v [km/h] vehicle speed / (km/h) engine speed / (1/min) Drehzahl [min -1 ] 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 2.1. Übersicht Kumulierte Emissionen im NEDC Das Abgasmessprotokoll Katalysator- Light-off engine speed vehicle speed time / s HC - emission / g CO - emission / g NO X / ppm Zeit [s] HC [g] CO [g] NOx [ppm] Im Abgasmessprotokoll ist der kumulierte Verlauf der gasförmigen Schadstoffe und die Fahrzeuggeschwindigkeit / Motordrehzahl aufgetragen Deutlich zu erkennen ist der große Einfluss des zunächst kalten Katalysators. Mehr als 80% der Abgasemissionen entstehen in der ersten Minute des Fahrzyklus, bevor der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht (Light-off) 11

12 Konvertierungsrate [%] 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 2.2. Das Katalysatorheizen Katalysator-Konvertierungsrate Temperatur [ C] Das Katalysator Light-off Damit die Reaktionen zur Schadstoffumwandlung ablaufen können, muss den Reaktionspartnern eine Aktivierungsenergie zugeführt werden. Diese Energie stellt der aufgeheizten Katalysators durch Wärme bereit Typische Zeiten zur Erreichung des Katalysator-Light-offs (50% der Schadstoffe werden umgesetzt) mit Sekundärluft: 15 s mit Katheizen: 25 s ohne Katheizen: 120 s 12

13 2.2. Das Katalysatorheizen Das Katalysatorheizen Zum Katalysatorheizen mit motorischen Maßnahmen wird sowohl die Abgastemperatur angehoben als auch der Abgasmassenstrom erhöht Durch diese Maßnahmen steigt der Abgaswärmestrom, wodurch jedoch der motorische Wirkungsgrad verschlechtert wird Die Wärmestromanforderung ist fahrzeugspezifisch und hängt von Abgaskrümmerdesign, Katposition und Katlayout ab. Die innermotorischen Maßnahmen Zündwinkelspätverstellung Die Verbrennung wird spät eingeleitet, somit hat das Abgas am Expansionsende noch eine hohe Temperatur Anhebung Leerlaufdrehzahl Der Abgasmassenstrom wird erhöht, zudem weitere Zündwinkelspätverstellung möglich Frühes Auslassöffnen Verbrennung frühzeitig abbrechen, dadurch geringere mechanischer Arbeit und erhöhte Abgaswärmemenge 13

14 2.2. Das Katalysatorheizen Das Katalysatorheizen im Emissionstest Später Zündwinkel Höhere Drehzahl time [s] 14

15 2.3. Das Sekundärluftsystem Prinzipskizze Sekundärluftsystem Das Sekundärluftsystems SLS Sekundärluft- Pumpe Sekundärluft- Ventile Exhaust Abgas Intake air Luftansaugung Die Sekundärlufteinblasung erfolgt mit einer elektrischen Sekundärluftpumpe Die Sekundärluftventile verhindern das Rückströmen von Abgas in die Pumpe und sind bei ausgeschalteter Pumpe geschlossen Bei aktivierter Sekundärluftpumpe öffnen die Sekundärluftventile aufgrund des Unterdrucks im Saugrohr 15

16 2.3. Das Sekundärluftsystem Auswirkungen SLS auf HC und CO Applikationsstrategie SLS 700 ppm 600 HC ohne SLS W/o secondary air mit SLS With secondary air % 12 CO mit SLS ohne W/o SLS secondary air With secondary air Durch thermische Nachverbrennung von unverbrannten HC lässt sich die Abgastemperatur erhöhen Hierzu wird ein fettes Grundgemisch (λ=0,6 0,9) eingestellt und über SLS wird dem Abgas zusätzlicher Sauerstoff bereitgestellt Oberhalb einer bestimmten Temperaturschwelle (Spätverstellung Zündung nötig!) oxidieren die unverbrannten HC exotherm und erhöhen somit den Wärmeström zum Katalysator 16

17 Speed Temperature 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 2.3. Das Sekundärluftsystem Abgastemperatureinfluss SLS Das Abgaslambda v [km/h] Temperatur [ C] 800 C With secondary air injection W/o secondary air injection Der notwendige Sekundärmassenstrom ist abhängig vom Motorlambda (Grundgemisch) und dem Abgasmassenstrom. Das optimale Abgaslambda für maximale exotherme Nachreaktionen liegt bei 1,1...1, λ Motor m L m L B ST Abgas ( m L m B m L SLS ST ) Time Zeit [s] 75 s 100 m ( m SLS Abgas 1 ) L Motor 17

18 2.4. Die Partikelemisson Sichtbarer Ruß am Auspuff Otto PFI-Motor Port Fuel Injection (Saugrohreinspritzung) Diesel mit DPF Diesel Particle Filter Otto DI-Motor Direct Injection Die Partikelemissionen Rußpartikel entstehen bei der Verbrennung mit λ<<1 und Temperaturen >1500 C Lokal sehr fettes Gemisch entsteht besonders bei DI-Motoren Beim Dieselmotor wurde schon mit Einführung der EU-Abgasnorm die maximale Partikelmasse und mit EU5b (ab 2011) auch die Partikelanzahl reglementiert Beim Ottomotor gelten erst ab 2017 (EU6 II) die gleichen Partikelgrenzwerte wie beim Diesel 18

19 2.4. Die Partikemission Ruß durch Diffusionsflammen Auftreffen des Kraftstoffs auf die Oberfläche der Kolbenmulde Kraftstoffbenetzung an der Oberfläche der Verbrennungskammer oder der Zündkerze Flüssiger Kraftstoff an der Injektorspitze Kraftstofftropfen in der Flammenfront Fettes Gasgemisch Lokal fettes Brennraumgemisch durch inhomogene Mischung Lokal fettes Gemisch durch Auftreffen des Kraftstoffs auf dem Kolbenboden Global fettes Gemisch durch Beschleunigungsanreicherung, Vollastanreicherung oder Bauteilschutz 19

20 Soot / FSN Particle number / / m³ 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 2.4. Die Partikelemission Ruß [FSN] Partikelzahl []10 12 /m 3 ] Einfluss Einspritztiming auf Ruß SOI variation 2000 rpm, BMEP = 2 bar 320 CA BTDC 300 CA BTDC 280 CA BTDC 260 CA BTDC 240 CA BTDC Partikelgröße Particle size /[nm] Start of Injection / CA BTDC Start Einspritzung [ CA BTDC] Strategie zur Rußverminderung Einspritztiming Ausreichende Zeit zur Homogenisierung Vermeidung von Kolben- oder Wandbenetzung Kraftstoffdruck Hoher Einspritzdruck bewirkt eine bessere Zerstäubung (kleinere Tropfendurchmesser) und somit eine bessere Homogenisierung und Verdampfung 20

21 2.5. Die Übergangskompensation Skizze Kraftstoffwandfilm Eingespritzter Kraftstoffmassenstrom Kraftstoffwandflim Verdampfung des Kraftstoffwandfilms Verdampfter Kraftstoff, welcher in den Brennraum strömt Auch bei DI-Motoren ergibt sich ein Wandfilm, wobei dieser sich aber auf der Kolbenoberfläche und an den Zylinderinnenwänden niederschlägt Der Kraftstoffwandfilm Die Kraftstoffmasse des Wandflims ist abhängig von Dampfdruck des Kraftstoffs Motortemperatur Lufttemperatur Saugrohrdruck Luftmassenstrom Besonders durch das sich verändernde Saugrohrdruckverhältnis bei Lastwechsel ergeben sich ohne Kompensation deutliche Lambdaabweichungen im Brennraum, welche zu erhöhten Emissionen führen 21

22 2.5. Die Übergangskompensation --- Lambda -- Drehzahl -- ÜK -- Last Skizze Kraftstoffwandfilm Durch die Übergangskompensation ergibt sich bei dieser Messung eines positiven Lastwechsels eine leichte Anfettung (gute Gasannahme!), wobei ohne Korrektur eine Ausmagerung stattfinden würde. Die Übergangskompensation (ÜK) Zur Kompensation des Auf- und Abbaus des Kraftstoffwandfilms gibt es in der Motorsteuerung eine Übergangskompensation, welche bei positiven Lastwechsel die Einspritzmenge erhöht bei negativem Lastwechsel die Einspritzmenge vermindert Die Übergangskompensation ist in einen schnellen und einen langsamen Pfad aufgeteilt, um die Wandfilmdynamik optimal abbilden zu können 22

23 2.5. Die Übergangskompensation Die Versuchsdurchführung Deaktivierung Lambdaregelung und Tankentlüftung Verwendung von standardisierten und definierten Kraftstoff Durchführung von definierten Lastsprüngen bei möglichst gleicher Drehzahl (hoher Gang!). Dabei jeweils 5 sec Konstantfahrt vor und nach dem Lastsprung vorsehen Applikation mit betriebswarmen Motor, dann im Warmlauf bei unterschiedlichen Temperaturen Die Applikationsstrategie Zunächst generelle Anpassung der Gemischkorrektur zur Kompensation der Wandfilmmenge Applikationsziel: Instationäre λ Abweichungen sollten 5% sein, vor allem sind Ausmagerungen beim Beschleunigen zu vermeiden Falls λ = f(t) teilweise zu fett oder zu mager ist, dann Anpassung der Aufteilung zwischen schnellen und langsamen Anteil Validierung mit Extremkraftstoffen durchführen 23

24 Relative Luftmasse [%] rel. air charge [%] Lambda [%] lambda [-] Relative Luftmasse [%] rel. air charge [%] lambda [-] Lambda [%] Relative Luftmasse [%] rel. air charge [%] Lambda [%] lambda [-] Relative Luftmasse [%] rel. air charge [%] lambda [-] Lambda [%] 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 2.5. Die Übergangskompensation Applikation der Übergangskompensation ml,rel --- rel. Luftmasse Lambda --- Lambda 0 0,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Zeit [s] time [s] Keine ÜK Starke Ausmagerung 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0, rel. ml,rel Luftmasse Lambda --- Lambda ÜK schnell: Erhöhen! ÜK langsam: Abkürzen! 0,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Zeit [s] time [s] 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0, ÜK gesamt ok Aufteilung anpassen! 1,2 1,15 1,1 1, , , rel. Luftmasse 20 ml,rel 0,8 --- Lambda 0,75 0 0,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Zeit [s] time [s] 0, ml,rel --- rel. Luftmasse Lambda --- Lambda ÜK optimiert Kaum Lambdaabweichungen Zeit [s] time [s]

25 2.6. Die Tankentlüftung Das Tankentlüftungsventil Aufgabe und Anforderungen Aufgabe: Das Tankentlüftungsventil ist ein durch die Motorsteuerung angesteuertes Magnetventil, welches die Spülluftmenge steuert Anforderungen: Präzise Steuerung des Durchflusses durch PWM Ansteuerung Stabiler Luftmengendurchsatz schon bei niedrigem Differenzdruck 25

26 2.6. Die Tankentlüftung Der Aktivkohlebehälter Aufbau des Aktivkohlebehäters Die Behältergröße variiert nach Größe und Art des Kraftstofftanks (0,5..3,0l) und berücksichtigt vor allem die länderspezifischen Gesetzesanforderungn Die Kohleschüttung wird durch ein Federsystem leicht vorgespannt, um Abreibungen durch Erschütterungen zu vermeiden Die Luft wird zunächst durch ein Vlies geführt, um Schmutzablagerungen an der Kohleschüttung zu vermeiden 26

27 2.6. Die Tankentlüftung Der Aufbau der Tankentlüftung Drosselklappe Saugrohr Spülluftleitung ECU Ventil Aktivkohlefilter ca. 20% alle HC-Emissionen entstehen durch Verdunstung Frischluft Entlüftung vom Tank Die Tankentlüftung speichert den verdunsteten Kraftstoff und stellt ihn für die Verbrennung im Zylinder bereit Die Arbeitsweise der Tankentlüftung Der Kraftstoffdampf wird über eine Leitung vom Tank zum Aktivkohlebehäter (AKF) geleitet Die Aktivkohle absorbiert den enthaltenen Kraftstoff und lässt die Luft ins Freie entweichen Zur Aufnahme von neu ausdampfenden Kraftstoff muss der AKF regeneriert werde Dazu wird das Regenerierventil angesteuert, welches die Leitung zwischen AKF und Saugrohr freigibt 27

28 2.6. Die Tankentlüftung Entstehung der Kraftstoffdämpfe Vermehrte Ausdampfung von Kraftstoff aus dem Tank entsteht durch: Erwärmung des Kraftstoffs im Tank aufgrund erhöhter Umgebungstemperatur, durch die benachbarte warme Abgasanlage oder durch dem Kraftstoffrücklauf in den Tank Abnahme des Umgebungsdrucks (z.b. bei Bergauffahrt) Korrektur der Einspritzzeit Die in der Spülluft enthaltene Kraftstoffmenge wird über ein Beladungsmodell berechnet Bei aktiver Tankentlüftung wird zur Korrektur die Einspritzmenge entsprechend verringert, um im Zylinder das gewünschte Luft- Kraftstoffgemisch zu erhalten (Vorsteuerung) Eine weitere Korrektur erfolgt über die Lambdaregelung, wobei Gemischabweichungen zwangsläufig mit einer zeitlichen Verzögerung ausgeglichen werden 28

29 2.6. Die Tankentlüftung Besonderheit bei Auflademotoren Bei aufgeladenen Motoren sind zwei Einlassstellen für die Tankentlüftung notwendig: Im Saugrohr vor den Einlassventilen für den Betrieb im saugmotorischen Bereich Stromaufwärts des Verdichterrades für die Einleitung der Spülluft im aufgeladenen Betrieb Besonderheit im Schichtbetrieb Bei DI-Motoren liegt im Schichtbetrieb ein geringer Saugrohrunterdruck vor, welcher nicht immer zur Regenerierung des AKF ausreicht Daher wird bei Bedarf im laufenden Motorbetrieb vom Motorsteuergerät auf den homogenen Modus umgeschaltet, um dadurch einen hohen Saugrohrunterdruck zu erhalten (Alternative: Einsatz einer separaten Unterdruckpumpe) 29

30 2.6. Die Tankentlüftung Die Applikationsvorbereitungen Überprüfung der Zylindergleichverteilung bei Spüllufteinleitung im Motorbetrieb. Bei großen Abweichungen sind konstruktive Anpassung einzufordern Messung der Durchflussmengen des gesamten Spülsystems auf einer Fließbank bei unterschiedlichen Pulsweiten für das Tankentlüftungsventil Die Fahrzeugapplikation Ermittlung der Verzugszeiten beim Öffnen des Tankentlüftungsventils (Zeitdauer bis nach dem Öffnen des Ventils eine Gemischänderung an der Lambdasonde erkennbar ist) Applikation des Beladungsmodells unter Verwendung von definiert befüllten Aktivkohlefilter Festlegung der maximalen Spülluftmenge in Abhängigkeit von Betriebspunkt und Temperatur 30

31 2.6. Die Tankentlüftung Validierung Tankentlüftungsfunktion Prüfung der Tankentlüftungsfunktion bei dynamischen Betriebszuständen (schnelles Schließen des Ventils bei negativen Lastsprüngen nötig) Validierung der Funktion bei heißen Umgebungsbedingungen und in extremer Höhe Validierungskriterien: Maximale Regelabweichung der Lambdaregelung Kraftstoffgeruch (besonders bei Höhenfahrten) Die Tankentlüftung im Abgastest Offizielle Emissionstests zur Fahrzeughomologation werden mit vollständig gefülltem Aktivkohlefilter gefahren Nach Beendigung des Emissionstests muss der Aktivkohlefilter leer sein und somit alle Kraftstoffdämpfe über das Tankentlüftungssystem dem Verbrennungsprozess hinzugefügt worden sein 31

32 Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch Gliederung 1. Einleitung 2. Abgas und Kraftstoffverbrauch 1. Die Abgasgesetzgebung 2. Das Katalysatorheizen 3. Das Sekundärluftsystem 4. Die Partikelemission 5. Die Übergangskompensation 6. Die Tankentlüftung 3. Schluss 1. Ausgewählte Verständnisfragen 32

33 3. Schlussteil 3.1. Ausgewählte Verständnisfragen Abgas und Kraftstoffverbrauch Wo sehen Sie beim aktuellen NEDC als auch beim neuen WLTP Zyklus eine Unschärfe bei der Schadstoffmessung im Vergleich zum realen Fahrbetrieb? Erklären Sie anhand einer Funktion in der Motorsteuerung die Schere zwischen minimierten Emissionen und erhöhtem Kraftstoffverbrauch Abgas und Kraftstoffverbrauch Über welchen Parameter lässt sich bei der Sekundärlufteinblasung ihrer Meinung nach am besten das Abgaslambda einstellen? Welche Risiken sehen Sie bei einer schlecht applizierten Tankentlüftung? 33

34 Modul Applikationsentwicklung Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch Dipl.-Ing. M.Graf Bei Verständnisfragen bitte melden!

35 Kapitel 9: Abgas und Kraftstoffverbrauch Anhang: Verwendete Formelzeichen und Indizes Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen: Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen: AKF BMEP BTDC CA CARB DI DPF ECU FTP LEV L st ṁ B ṁ L ṁ SLS NEDC SOI WLTP Aktivkohlefilter Brake Mean Effective Prressure (effektiver Mitteldruck) Before Top Dead Center (vor OT) Crank Angle (Kurbelwellenwinkel) California Air Resources Board Direct Injection (Direkteinspritzmotor) Diesel Partikel Filter Electronic Control Unit (Motorsteuergerät) Federal Test Procedure Light Emission Vehicle stöchiometrischer Luftbedarf Kraftstoffmassenstrom Frischluftmassenstrom Sekundäruftmassenstrom New European Driving Cycle Start of Injection (Einspritzbeginn) Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures λ Luftverhältnis

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