Aufbau eines konventionellen FID

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1 Das FFID zur schnellen HC Messung Ein Gerät das sehr häufig mit Indiziermessungen gekoppelt wird ist das zweikanalige Fast Response FID der Firma Cambustion (FID = Flammen Ionisations Detektor). Prinzipbedingt ist dieses Gerät für sehr schnelle Kohlenwasserstoffmessungen geeignet, d.h. bei Motordrehzahlen von U/min ist sogar eine kurbelwinkelaufgelöste Messung denkbar. Die T90-Zeit (Zeit zur Anzeige von 90% des Messwertes) liegt je nach Größe der Mess-Kapillare bei ca. 2msec. Im Gegensatz dazu benötigt ein konventionelles FID u.u. mehrere Sekunden bis der Messwert korrekt angezeigt wird. Aufbau eines konventionellen FID Aufbau des Cambustion FFID Das vorstehende Bild zeigt die wesentlichen Funktionen eines FID sowie die grundlegenden Unterschiede zwischen den beiden Bauformen. Bei einem FID wird eine Mischung aus reinem Wasserstoff (Fuel gas) und synthetischer (hochreiner) Luft (Air) in einem elektrischen Feld von ca. 200V verbrannt. Werden der Flamme Kohlenwasserstoffe zugegeben, dann bildet sich in dieser Flamme ein C- Ionenstrom der proportional zur HC-Konzentration ist. Damit eine genaue Zuordnung möglich ist, muss das Gerät zuvor mit einem Kalibriergas bekannter HC-Konzentration kalibriert werden. Die Konzentrationen werden üblicherweise in ppm (Volumenkonzentration) gemessen. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Cambustion-System und dem konventionellen System ist in dem geometrischen Aufbau zu finden. Das konventionelle Gerät hat eine relativ lange und auch dicke Probenleitung, so dass die Abgasprobe eine recht lange Zeit benötigt um zu der Auswerteeinheit zu Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 gelangen. Bei dem Cambustion-System ist der Detektor für die Ionen direkt im Messkopf in unmittelbarer Nähe der Wasserstoffflamme angeordnet und die Probenleitung ist eine kurze, beheizte Kapillare, so dass die Probennahme und die Auswertung in unmittelbarer Nähe der Messstelle erfolgt und die Ergebnisse nur noch elektrisch übertragen werden müssen. Das ist der Grund für die sehr kurzen Messzeiten. Allerdings sind einige Kompromisse nötig, denn aufgrund des kleinen einfachen Sensors entspricht die Genauigkeit nicht der der großen Geräte und die Kapillare bringt erhebliche Verschmutzungsprobleme mit sich, die den Messzeitraum bis zur nächsten Reinigung der Messkapillare begrenzen. Nachstehend ist der Aufbau eines solchen Cambustions Gerätes aufskizziert. Aufbau des Fast Response FID Messkopf Beheizte Probenleitung Auf diesem Bild ist die Bedieneinheit dargestellt, mit den Eingängen für die benötigten Gase sowie den elektrischen Anschlüssen für die Übertragung von Steuerbefehlen und Daten. Messaufbauten dieser Art werden typischerweise für HC-Messungen in Auslasskanälen von Verbrennungsmotoren benutzt, oder aber für Emissionsmessungen vor und nach dem Katalysator während des Kaltstarts sowie des angrenzenden Warmlaufs. Ein weiterer wichtiger Anwendungsfall ergibt sich insbesondere im Zusammenhang mit der Zylinderdruckindizierung. Das FRFID (HFR400 / HFR500) ist bisher das einzige Gerät, dass sich auch für HC- Messungen im Zylinder eignet. Es ist somit möglich die HC-Konzentration an einer Stelle im Brennraum vor, während und nach der Verbrennung zu messen. Die Messung ist zwar nicht so sonderlich genau weil der stark veränderliche Druck im Zylinder eine genaue Kalibrierung nahezu unmöglich macht, aber das Zeitverhalten von Gemischbildungsvorgängen lässt sich damit sehr genau untersuchen. Ein häufig verwendeter Anbringungsort der Sonde für eine Innenzylindermessung ist die Zündkerze. Ein derartiger Aufbau ist dem folgenden Bild zu entnehmen. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Zu erkennen ist die Lage der Abgaskapillare innerhalb der Zündkerze und damit auch die Stelle der Probennahme im Brennraum. Zündkerze Abgaskapillare Kolben Auf dem nächsten Bild ist eine solche Messzündkerze sowie der typische Signalverlauf einer Innenzylinder-HC-Messung zu erkennen. Diese Messzündkerzen sind von den typischen Indizierzündkerzen abgeleitet worden. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 Wie zu erwarten spielt das Luftverhältnis bei der maximalen Signalhöhe eine eindeutige Rolle, dass ist auch plausibel weil bei einem geringeren Luftverhältnis die HC-Konzentration zwangsläufig höher sein muss. Das vorstehende Bild zeigt den prinzipiellen Verlauf des Signals und wie das Signal zu interpretieren ist. Der Anfang des Signalverlaufes ist ungültig aufgrund des niedrigen Druckniveaus im Zylinder. Hier muss für den Zylinderdruck ein Mindestwert erreicht werden, damit ausreichend Probengas in die Messkammer gelangt. Der sich anschließende Anstieg ist durch die Befüllung des Systems bedingt und ist ebenfalls ein nicht verwertbares Signal. Erst der Spitzenwert ist gültig, denn er stellt die real im Brennraum an der Messstelle vorhandene HC-Konzentration dar. Der sich daran anschließende rasche Signalabfall ergibt sich durch die Verbrennung, die über die Messstelle hinwegläuft. Das sich dann einstellende niedrige Signal zeigt die HC-Konzentration im Restgas, sowie später noch die Reaktionen die durch die aus dem Feuerstegbereich herausdampfenden Kohlenwasserstoffe entstehen. Dieses Signal ist allerdings entsprechend den systembedingten Totzeiten verschoben und wenn die Notwendigkeit einer genauen Kurbelwinkelzuordnung gefordert ist, dann muss mit Hilfe von Rechnungen eine Signalverschiebung durchgeführt werden. In den nächsten Bildern soll noch gezeigt werden, wie das Signal unter verschiedenen Randbedingungen aussieht. Mit steigender Motordrehzahl wird die Anstiegsflanke des Signals deutlich schmaler, da in diesem Fall die Zeitbasis bis zum Eintreffen der Flammenfront kürzer ist. Die maximale Signalhöhe ist aber auf gleichem Niveau wie bei der geringeren Drehzahl und das ist wichtig, weil nur die Signalhöhe entscheidend ist, wie schon zuvor erwähnt. Die zyklischen Schwankungen, die schon von der Zylinderdruckindizierung bekannt sind, können auch bei der HC-Messung im Brennraum nachgewiesen werden. Die Ursachen dafür ergeben sich aus den zyklischen Schwankungen von Luftliefergrad und Restgasanteil, wie bereits schon zuvor erwähnt. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 Das nächste Bild zeigt die Messung an einem Motor mit langsamer und nicht vollständiger Verbrennung. Zumindest am Messpunkt ist im Brennraum ein relativ mageres Kraftstoff-Luftgemisch, das höchstwahrscheinlich zu einer verzögerten Verbrennung mit vorzeitigem Verlöschen der Flamme führt. Darauf deuten auch die recht hohen Post-Flame HC-Emissionen hin. Das nächste Bild zeigt den Einfluss von Fehlzündungen auf die HC-Emissionen der nachfolgenden Arbeitsspiele. Bei diesem Versuch wird die Zündung abgeschaltet und der Motor weiter geschleppt. Da im Einlasskanal von Ottomotoren immer Kraftstoff gespeichert ist, bekommt der nicht befeuerte Zylinder weiterhin Kraftstoff und demzufolge steigt der HC-Pegel im Brennraum zunächst von Zyklus zu Zyklus an. Erst wenn der Kraftstoff im Einlasskanal abgesaugt ist, kann der HC-Pegel wieder absinken. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 Während eines solchen Schleppbetriebes ergibt sich gleichzeitig die Möglichkeit, eine Signalprüfung hinsichtlich der Druckabhängigkeit der Ergebnisse vorzunehmen. Wird der Motor nicht befeuert dann bleibt das Niveau der HC-Konzentration während der Hochdruckphase konstant, demzufolge muss auch das Signal des FFID konstant bleiben. Wie dieser Signalverlauf aussehen muss, ist dem nachfolgenden Bild zu entnehmen. Wird dieses Ergebnis so nicht erreicht, dann muss die Messstrecke überprüft werden. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

7 Um bei einer HC-Messung im Brennraum doch zu einer brauchbaren Aussage hinsichtlich des absoluten HC-Niveau zu kommen besteht die Möglichkeit, denn Messkopf auch während der Messung permanent mit Kalibriergas zu beaufschlagen. Bei geringem Druck im Zylinder wird dann das Kalibriergas gemessen, während in der Hochdruckphase der Zylinderdruck den Kalibriergasdruck überdrückt und es damit zu einer Messung der Kohlenwasserstoffe im Brennraum kommt. Da der Messbereich linear aufgelöst wird, ist eine direkte Berechnung der Brennraum-HC-Werte möglich. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7

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