On-Board-Diagnose und On-Board-Measurement

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1 On-Board-Diagnose und On-Board-Measurement im Kraftfahrzeug-, Schiffs- und Flugzeugbau Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Palocz-Andresen Mit 207 Bildern und 32 Tabellen experttyjverlag«

2 Inhaltverzeichnis Danksagung 1 Einführung in die Thematik Anwendung im Kraftfahrzeug Gliederung Einsatz im Schiffs- und im Flugzeugbau Zusammenfassung: Geschichte von OBD/OBM 7 2 On-Board-Diagnose (OBD) und On-Board-Measurement (OBM) Geschichtliche Entwicklung On-Board-Measurement (OBM) Kombination von OBD und OBM Bauelemente der OBD/OBM-Technik Hardware Einheiten Schnittstelle Kontrollleuchte für die Motordiagnose Fehlerspeicher Software Einheiten Fehlercodes nach SAE J Anzeigen der Prüfbereitschaft durch Readiness-Code Diagnoseablauf mit Readiness-Code Entwicklung von OBD/OBM-Systemen Diagnosenentwicklung Durchführung von Diagnosetests Comprehensive Component Monitoring (CCM) Main Monitors (MM) In Use Monitor Performance Ratio (IUMPR) Generic Scan Tool (GST) Manuelle Tests (MT) Einführung von Grenzwerten für OBD und OBM Abgasprüfungen Terminliche Verpflichtungen in der EU OBD/OBM -Grenzwerte für Fahrzeuge mit Fremdzündungsmotor Kraftfahrzeuge mit Selbstzündungsmotor in der EU Leichte und mittelschwere Kraftfahrzeuge Schwere Nutzfahrzeuge Zusammenfassung: Gesetzgeberische Initiativen 30 3 Internationaler Vergleich Entwicklung von Richtlinien Vergleich der Grenzwerte in Europa und in den USA Typenzulassungsgrenzwerte bei leichten Nutzfahrzeugen Trend bei schweren Nutzfahrzeugen Verteilung von Kraftfahrzeugen in der Welt Personenkraftwagen Nutzfahrzeuge Vereinfachte OBD-Systeme mit nachrüstbaren OBM- Sensoren Zusammenfassung: Internationaler Vergleich 42

3 4 Stand der Messtechnik Bedeutende Verfahren in der Abgasanalyse Großanalysatoren Lasergestütztes Infrarotmessgerät DEGAS IV Dynamischer Multi-Komponenten Gasanalysator PEGASys FTIR Laser-Fernmesssystem DIM Prüfstandsmessgeräte NOx-Messtechnik mit Chemolumineszenz FID-Technik für die Erfassung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe Bestimmung von CO und CO2 mit der infraroten Spektrophotometrie Ammoniakmessung am Prüfstand OBM- Feldmessgeräte Geprüfter und zugelassener Großanalysator vom Typ VOEM On-Road-Feldmessgerät vom Typ Semtech-G On-Road-Feldmessgerät vom Typ OBS Gasanalysatoren für On-Board-Measurement Kraftstoffverbrauchsmessgeräte im Feldeinsatz Präzisionsmessgeräte Messgeräte für den täglichen Gebrauch On-Board-Measurement mit Multigasmesstechnik für den Dauereinsatz Sensortechnik Lambdasonde NOx-Sensor Sensor für brennbare Gase NH 3 -Messzellen Multigassensoren vom Typ SEGASENS Partikelmesstechnik Bestimmung des Massenstromes OBM- Mikrosensoren im Kraftfahrzeug Zusammenfassung: Stand der Mess- und Sensortechnik 71 5 OBM-System Prinzip der IR-Technik Infrarotoptische Spektren Erfassung der Absorption NDIR- Messverfahren Strahlerbau Detektorstrukturen Küvettentechnik Beschreibung des OBM- Systems Probeentnahmetechnik Regenerierbarer Filter Nachjustierung des Nullpunktes durch Nullumschaltung Kühlung des Gases Erfassung von Parametern mittels externer Messfühler GPS-Modul Korrektur der Kennlinie Bestimmung des Temperatureinflusses Schnelles Messgerät für motornahe Bestimmungen Infrarotoptische Küvette mit einem quergestellten Strahler und 5.6 HC-Analysator für besonders niedrige Konzentrationen 96

4 5.7 NH 3 -Bestimmung mit OBM Verschmutzungsproblematik von OBM-Systemen im Feld Miniaturisierung heutiger OBM-Systeme Multireflexionsküvette Zukunftsvisionen Zusammenfassung: On-Board-Gerätetechnik Applikationen mit dem OBD/OBM-System am Kraftfahrzeug Minderung der Emission über zylinderspezifische Regelmaßnahmen Schnelle Zylinderabschaltung und variable Verdichtung Abgasreinigung am Katalysator Allgemeine Grundlagen Oxidationskatalysator Light-off-Punkt Alterung des Oxidationskatalysators Reduktionskatalysator Senkung von NO x durch die Zuführung von Harnstoff NO x -Reduktion durch die Zugabe von Kohlenwasserstoffen Sicherung niedriger Emissionen am Katalysator Überwachung des Oxidationskatalysators durch OBM-Sonden Erkennen von Verbrennungsaussetzern Kaltstartmessung am Fremdzündungsmotor Regelung der Sekundärlufteinblasung Regelung der Abgasnachbehandlung am Fremdzündungsmotor Gefährdungspotentiale Abgasrückführung Geregelte Entstickung Partikelfilter Regenerierbarer Filter CRT-Partikelfilter Einsatz der OBM-Technik auf dem Rollenprüfstand Berechnung von Emissionsmassenströmen im Kraftfahrzeug Zusammenfassung: Applikationsmöglichkeiten ökologische Routenplanung Einflussgrößen auf das Emissionsniveau Experimentelle Arbeit Ausrüstung von Versuchskraftfahrzeugen Einbau des OBM-Systems Elemente des eingesetzten OBM-Systems Speicherung und Übertragung der Daten Visualisierung am PC Ergebnisse der Fahrversuche Praktische Möglichkeiten der optimalen Routenplanung Bedeutung des ökologischen Fahrstils Zusammenfassung: Ökologische Routenplanung Senkung der Schwefelemission Erfassung von Schwefel Grenzwerte für die Schwefelemission Abgasreinigungskonzept ohne Schwefel im GDI-Motor Nicht-Selektiver Katalysator Speicherkatalysator Speicher-Reduktionskatalyse für Stickstoff und Schwefel 164

5 Schwefelvergiftungsprozess Funktionsweise von NO x -Speicherkatalysatoren mit Schwefel Schwefelmessung im Feldeinsatz Messung von S0 2 und H 2 SmitOBM Zusammenfassung: Senkung der Schwefelemission OBD/OBM für zukünftige Kraftstoffe Erdgas als Kraftstoff Schwankung der Erdgasqualität Maßnahmen bei Qualitätsschwankungen CNG Stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis Heizwert Oktanzahl Korrektur der Zündung Bestimmung der HC-Konzentration im Abgasstrom mit OBM Künstliche Kraftstoffe Eigenschaften von Synfuel und Sunfuel Emission zukünftiger Kraftstoffe Wasserstoff als Kraftstoff Neue Kraftstoffe in Kraftfahrzeugen Zusammenfassung: Szenarien mit zukünftigen Kraftstoffen Emissionen an der Start- und Landebahn von Flughäfen Ziele der experimentellen Arbeit Statistische Emissionsdaten Wichtige Reaktionen in der Atmosphäre Beschreibung der Vorexperimente am Hilfstriebwerk Messanordnung Messbedingungen Messergebnisse am Hilfstriebwerk Darstellung der Messgeräte für den Feldversuch Installation der Geräte und erste Messergebnisse Zusammenfassung: Applikationen in der Luftfahrt Messung der Emission aus Schiffsdieselmotoren Gesetzliche Vorgaben Ziele der experimentellen Arbeit Versuchsaufbau am Schiff Auswertung der Messergebnisse Anwendungsmöglichkeiten der OBD/OBM-Technik in der Schifffahrt Zusammenfassung: Ergebnisse der OBM in der Schifffahrttechnik Umwelt- und Klimawirksamkeit von OBD/OBM-Maßnahmen Verbrauchsdaten Klimabelastungen Demografischer Wandel in Europa Verbrauch globaler Ressourcen Erneuerbare Rohstoffe Senkung der C0 2 -Emission im Verkehr Zusammenfassung: Umweltaspekte von OBD/OBM Veränderbarkeit des Gesellschafts- und Verhaltensmusters Globalisierung durch Mobilität Low-Cost-Kraftfahrzeuge mit Intelligenz Klimaschutz als Vorbeugung 221

6 13.4 Zusammenfassung: Gesellschaftlichen Verhaltensanalyse 224 Literaturverzeichnis 226 Literaturquellen, gruppiert nach Fachgebieten 238 Abkürzungsregister 240 Sachwortregister 243 Abbildungsverzeichnis 248 Tabellenverzeichnis 253