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«
Inhaltverzeichnis Danksagung 1 Einführung in die Thematik 1 1.1 Anwendung im Kraftfahrzeug 1 1.2 Gliederung 2 1.3 Einsatz im Schiffs- und im Flugzeugbau 4 1.4 Zusammenfassung: Geschichte von OBD/OBM 7 2 On-Board-Diagnose (OBD) und On-Board-Measurement (OBM) 9 2.1 Geschichtliche Entwicklung 9 2.2 On-Board-Measurement (OBM) 12 2.3 Kombination von OBD und OBM 13 2.4 Bauelemente der OBD/OBM-Technik 14 2.4.1 Hardware Einheiten 14 2.4.1.1 Schnittstelle 14 2.4.1.2 Kontrollleuchte für die Motordiagnose 15 2.4.1.3 Fehlerspeicher 15 2.4.2 Software Einheiten 15 2.4.2.1 Fehlercodes nach SAE J2012 15 2.4.2.2 Anzeigen der Prüfbereitschaft durch Readiness-Code 15 2.4.2.3 Diagnoseablauf mit Readiness-Code 16 2.5 Entwicklung von OBD/OBM-Systemen 16 2.5.1 Diagnosenentwicklung 17 2.5.2 Durchführung von Diagnosetests 18 2.5.2.1 Comprehensive Component Monitoring (CCM) 18 2.5.2.2 Main Monitors (MM) 18 2.5.2.3 In Use Monitor Performance Ratio (IUMPR) 18 2.5.2.4 Generic Scan Tool (GST) 19 2.5.2.5 Manuelle Tests (MT) 19 2.6 Einführung von Grenzwerten für OBD und OBM 20 2.6.1 Abgasprüfungen 20 2.6.2 Terminliche Verpflichtungen in der EU 23 2.6.3 OBD/OBM -Grenzwerte für Fahrzeuge mit Fremdzündungsmotor 24 2.6.4 Kraftfahrzeuge mit Selbstzündungsmotor in der EU 26 2.6.4.1 Leichte und mittelschwere Kraftfahrzeuge 26 2.6.4.2 Schwere Nutzfahrzeuge 27 2.7 Zusammenfassung: Gesetzgeberische Initiativen 30 3 Internationaler Vergleich 32 3.1 Entwicklung von Richtlinien 32 3.2 Vergleich der Grenzwerte in Europa und in den USA 34 3.2.1 Typenzulassungsgrenzwerte bei leichten Nutzfahrzeugen 36 3.2.2 Trend bei schweren Nutzfahrzeugen 37 3.3 Verteilung von Kraftfahrzeugen in der Welt 38 3.3.1 Personenkraftwagen 39 3.3.2 Nutzfahrzeuge 40 3.3.3 Vereinfachte OBD-Systeme mit nachrüstbaren OBM- Sensoren 40 3.4 Zusammenfassung: Internationaler Vergleich 42
4 Stand der Messtechnik 44 4.1 Bedeutende Verfahren in der Abgasanalyse 47 4.2 Großanalysatoren 47 4.2.1 Lasergestütztes Infrarotmessgerät DEGAS IV 47 4.2.2 Dynamischer Multi-Komponenten Gasanalysator PEGASys FTIR 48 4.2.3 Laser-Fernmesssystem DIM 950 49 4.3 Prüfstandsmessgeräte 50 4.3.1 NOx-Messtechnik mit Chemolumineszenz 51 4.3.2 FID-Technik für die Erfassung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe.. 52 4.3.3 Bestimmung von CO und CO2 mit der infraroten Spektrophotometrie... 54 4.3.4 Ammoniakmessung am Prüfstand 55 4.4 OBM- Feldmessgeräte 56 4.4.1 Geprüfter und zugelassener Großanalysator vom Typ VOEM 56 4.4.2 On-Road-Feldmessgerät vom Typ Semtech-G 58 4.4.3 On-Road-Feldmessgerät vom Typ OBS-1000 58 4.4.4 Gasanalysatoren für On-Board-Measurement 59 4.4.5 Kraftstoffverbrauchsmessgeräte im Feldeinsatz 60 4.4.5.1 Präzisionsmessgeräte 60 4.4.5.2 Messgeräte für den täglichen Gebrauch 60 4.4.6 On-Board-Measurement mit Multigasmesstechnik für den Dauereinsatz 61 4.5 Sensortechnik 62 4.5.1 Lambdasonde 62 4.5.2 NOx-Sensor 63 4.5.3 Sensor für brennbare Gase 64 4.5.4 NH 3 -Messzellen 65 4.5.5 Multigassensoren vom Typ SEGASENS 67 4.5.6 Partikelmesstechnik 67 4.5.7 Bestimmung des Massenstromes 68 4.6 OBM- Mikrosensoren im Kraftfahrzeug 68 4.7 Zusammenfassung: Stand der Mess- und Sensortechnik 71 5 OBM-System 73 5.1 Prinzip der IR-Technik 73 5.1.1 Infrarotoptische Spektren 73 5.1.2 Erfassung der Absorption 74 5.2 NDIR- Messverfahren 74 5.2.1 Strahlerbau 75 5.2.2 Detektorstrukturen 77 5.2.3 Küvettentechnik 78 5.3 Beschreibung des OBM- Systems 79 5.3.1 Probeentnahmetechnik 84 5.3.2 Regenerierbarer Filter 85 5.3.3 Nachjustierung des Nullpunktes durch Nullumschaltung 88 5.3.4 Kühlung des Gases 89 5.3.5 Erfassung von Parametern mittels externer Messfühler 89 5.3.6 GPS-Modul 90 5.3.7 Korrektur der Kennlinie 91 5.3.8 Bestimmung des Temperatureinflusses 92 5.4 Schnelles Messgerät für motornahe Bestimmungen 94 5.5 Infrarotoptische Küvette mit einem quergestellten Strahler und 5.6 HC-Analysator für besonders niedrige Konzentrationen 96
5.7 NH 3 -Bestimmung mit OBM 97 5.8 Verschmutzungsproblematik von OBM-Systemen im Feld 99 5.9 Miniaturisierung heutiger OBM-Systeme 102 5.9.1 Multireflexionsküvette 103 5.10 Zukunftsvisionen 105 5.11 Zusammenfassung: On-Board-Gerätetechnik 108 6 Applikationen mit dem OBD/OBM-System am Kraftfahrzeug 110 6.1 Minderung der Emission über zylinderspezifische Regelmaßnahmen.. 110 6.1.1 Schnelle Zylinderabschaltung und variable Verdichtung 113 6.2 Abgasreinigung am Katalysator 114 6.2.1 Allgemeine Grundlagen 114 6.2.2 Oxidationskatalysator 114 6.2.2.1 Light-off-Punkt 115 6.2.2.2 Alterung des Oxidationskatalysators 115 6.2.3 Reduktionskatalysator 117 6.2.3.1 Senkung von NO x durch die Zuführung von Harnstoff 117 6.2.3.2 NO x -Reduktion durch die Zugabe von Kohlenwasserstoffen 117 6.2.4 Sicherung niedriger Emissionen am Katalysator 118 6.2.4.1 Überwachung des Oxidationskatalysators durch OBM-Sonden 118 6.2.4.2 Erkennen von Verbrennungsaussetzern 120 6.2.4.3 Kaltstartmessung am Fremdzündungsmotor 121 6.2.5 Regelung der Sekundärlufteinblasung 123 6.3 Regelung der Abgasnachbehandlung am Fremdzündungsmotor 125 6.3.1 Gefährdungspotentiale 125 6.3.2 Abgasrückführung 127 6.3.3 Geregelte Entstickung 129 6.3.4 Partikelfilter 131 6.3.4.1 Regenerierbarer Filter 131 6.3.4.2 CRT-Partikelfilter 132 6.4 Einsatz der OBM-Technik auf dem Rollenprüfstand 132 6.5 Berechnung von Emissionsmassenströmen im Kraftfahrzeug 135 6.6 Zusammenfassung: Applikationsmöglichkeiten 139 7 ökologische Routenplanung 143 7.1 Einflussgrößen auf das Emissionsniveau 143 7.2 Experimentelle Arbeit 144 7.2.1 Ausrüstung von Versuchskraftfahrzeugen 144 7.2.2 Einbau des OBM-Systems 146 7.3 Elemente des eingesetzten OBM-Systems 147 7.3.1 Speicherung und Übertragung der Daten 150 7.3.2 Visualisierung am PC 151 7.4 Ergebnisse der Fahrversuche 152 7.5 Praktische Möglichkeiten der optimalen Routenplanung 154 7.6 Bedeutung des ökologischen Fahrstils 155 7.7 Zusammenfassung: Ökologische Routenplanung 159 8 Senkung der Schwefelemission 161 8.1 Erfassung von Schwefel 161 8.1.1 Grenzwerte für die Schwefelemission 161 8.1.2 Abgasreinigungskonzept ohne Schwefel im GDI-Motor 162 8.1.2.1 Nicht-Selektiver Katalysator 162 8.1.2.2 Speicherkatalysator 163 8.1.3 Speicher-Reduktionskatalyse für Stickstoff und Schwefel 164
8.1.3.1 Schwefelvergiftungsprozess 165 8.1.3.2 Funktionsweise von NO x -Speicherkatalysatoren mit Schwefel 166 8.1.4 Schwefelmessung im Feldeinsatz 166 8.2 Messung von S0 2 und H 2 SmitOBM 168 8.3 Zusammenfassung: Senkung der Schwefelemission 172 9 OBD/OBM für zukünftige Kraftstoffe 174 9.1 Erdgas als Kraftstoff 174 9.1.1 Schwankung der Erdgasqualität 175 9.1.2 Maßnahmen bei Qualitätsschwankungen 175 9.1.2.1 CNG 175 9.1.2.2 Stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis 176 9.1.2.3 Heizwert 176 9.1.2.4 Oktanzahl 176 9.1.2.5 Korrektur der Zündung 177 9.1.3 Bestimmung der HC-Konzentration im Abgasstrom mit OBM 177 9.2 Künstliche Kraftstoffe 179 9.2.1 Eigenschaften von Synfuel und Sunfuel 179 9.2.2 Emission zukünftiger Kraftstoffe 180 9.2.3 Wasserstoff als Kraftstoff 181 9.2.4 Neue Kraftstoffe in Kraftfahrzeugen 181 9.3 Zusammenfassung: Szenarien mit zukünftigen Kraftstoffen 183 10 Emissionen an der Start- und Landebahn von Flughäfen 185 10.1 Ziele der experimentellen Arbeit 185 10.2 Statistische Emissionsdaten 185 10.3 Wichtige Reaktionen in der Atmosphäre 187 10.4 Beschreibung der Vorexperimente am Hilfstriebwerk 187 10.4.1 Messanordnung 188 10.4.2 Messbedingungen 188 10.4.3 Messergebnisse am Hilfstriebwerk 188 10.5 Darstellung der Messgeräte für den Feldversuch 189 10.6 Installation der Geräte und erste Messergebnisse 191 10.7 Zusammenfassung: Applikationen in der Luftfahrt 195 11 Messung der Emission aus Schiffsdieselmotoren 197 11.1 Gesetzliche Vorgaben 197 11.2 Ziele der experimentellen Arbeit 198 11.3 Versuchsaufbau am Schiff 199 11.4 Auswertung der Messergebnisse 200 11.5 Anwendungsmöglichkeiten der OBD/OBM-Technik in der Schifffahrt... 202 11.6 Zusammenfassung: Ergebnisse der OBM in der Schifffahrttechnik 204 12 Umwelt- und Klimawirksamkeit von OBD/OBM-Maßnahmen 206 12.1 Verbrauchsdaten 206 12.2 Klimabelastungen 208 12.3 Demografischer Wandel in Europa 210 12.4 Verbrauch globaler Ressourcen 211 12.5 Erneuerbare Rohstoffe 214 12.6 Senkung der C0 2 -Emission im Verkehr 214 12.7 Zusammenfassung: Umweltaspekte von OBD/OBM 217 13 Veränderbarkeit des Gesellschafts- und Verhaltensmusters 219 13.1 Globalisierung durch Mobilität 219 13.2 Low-Cost-Kraftfahrzeuge mit Intelligenz 220 13.3 Klimaschutz als Vorbeugung 221
13.4 Zusammenfassung: Gesellschaftlichen Verhaltensanalyse 224 Literaturverzeichnis 226 Literaturquellen, gruppiert nach Fachgebieten 238 Abkürzungsregister 240 Sachwortregister 243 Abbildungsverzeichnis 248 Tabellenverzeichnis 253