Projekt 22493/01

Untersuchungen zur Bewertung von Sensoren für die Überwachung der Partikelemission von Dieselmotoren

Projektdurchführung

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden
Friedrich-List-Platz 1
01069 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Neben dem Nutzfahrzeugbereich findet der Dieselmotor verstärkt in Personenkraftwagen und Kleintransportern als wirtschaftlich überlegenes Antriebsaggregat Anwendung. Da aber ein moderner Dieselmotor (Euro IV) im Vergleich zum Ottomotor immer noch bis zu 15-mal mehr krebserregende Emissionen ausstößt wird an der Reduzierung dieser Emissionen intensiv gearbeitet. Eine effektive Maßnahme zur Re-duzierung der Rußpartikel stellt der Einsatz von Partikelfiltersystemen dar.
Um die Funktionsfähigkeit eines solchen Partikelfiltersystems kontinuierlich zu überwachen, ist es notwendig eine Vorrichtung (PM-Sensor) hinter den Partikelfilter zu schalten, die in der Lage ist die Funktionsstörung am Filter und die damit verbundene Erhöhung der Partikelemission zu erkennen und anzuzeigen (On-Board-Diagnosesystem OBD, On-Board-Messsystem OBM).
Das Gesamtziel des Verbundprojektes ist die Überprüfung und Bewertung von zwei Sensor-Prinzipien auf ihre Eignung zur Überwachung der Partikel-Emissionen auf der Basis eines Partikelmassensensors (PMS).


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZwei ausgewählte Sensorprinzipien (Rußladungssensor, Durchschlagsspannungssensor) wurden in zwei technischen Ausführungen dargestellt werden. Dafür wurden von den jeweiligen Sensorentwicklern Funktionsmuster bereitgestellt. Diese Funktionsmuster wurden entsprechend eines vereinbarten Untersuchungsprogramms unter einheitlichen und vergleichbaren Bedingungen auf dem Motorenprüfstand mit Vergleichsmesstechnik getestet und eine Korrelationsanalyse durchgeführt. Für die Sensoren wurde im Anschluss ein Redesign mit Prüfung beim Sensorentwickler sowie ein erweiterter Funktionstest durchgeführt.
Bisher gab es von den beiden möglichen Verfahren zur On-Board-Partikelmessung nur Labormuster, die für hohe Partikelkonzentrationen getestet wurden. Die ausgewählten Verfahren sollten für die Anwendung bei niedrigeren Partikelkonzentrationen unter Berücksichtigung der Abgaseigenschaften (Temperatur, Geschwindigkeit, Feuchtigkeit, Druck, Abgaszusammensetzung) für den Fahrzeugeinsatz untersucht werden. Die Signalempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit wurden mit Hilfe von ESC -Zyklen mit verschiedenen Konfigurationen der Abgasanlage durchgeführt.
Die erarbeiteten Ergebnisse sollen vorrangig zur Darstellung der Möglichkeiten einer Überwachung der zukünftig eingesetzten Partikelfiltersysteme durch die Messung der Rußkonzentration dienen. Diese Sensoren ermöglichen eine Eindämmung der umweltschädlichen Auswirkung bei Ausfall des Systems.


Ergebnisse und Diskussion

Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchung wurde für beide Sensoren eine beachtlich technische Weiterentwicklung der Messverfahren erzielt. Es erfolgte die Applikation im Abgasstrang eines Dieselmotors und die Einbindung der Messsignale in die vorhandene Prüfstandperipherie.
Es wurden mehrere Messkampagnen mit unterschiedlichen Aufgabenstellungen durchgeführt, wie z. B.: die Überprüfung der Korrelation des Messsignals zu etablierten Messverfahren (gravimetrische Partikelmessung, Opazität und Bosch-Schwärzung), die Beurteilung des Ansprechverhaltens bei Veränderung der Rußkonzentration und die Überprüfung von Quereinflussfaktoren (Temperatur, Abgasvolumenstrom, gasförmige Emissionen).
Für den Rußladungssensor konnte eine hohe Korrelation zu den etablierten Messverfahren im stationären Versuch beobachtet werden. Bei der Korrelation zur Gravimetrie wurde ein Bestimmtheitsmaß von r² = 0,97 ermittelt. Für den Durchschlagsspannungssensor konnte eine Korrelation mit r² = 0,62 ermittelt werden.
Ebenfalls unterscheiden sich die Sensoren erheblich in ihrer Empfindlichkeit auf die Variation der Rußkonzentration. Hierbei konnte festgestellt werden, dass bei schlagartiger Veränderung der Rußkonzentration das Signal des Rußladungssensors deutlich dem gemessen Verlauf der Opazität folgt. Beim Durchschlagspannungssensor wurde die Änderung nur als Signal-Peak festgestellt mit hoher Korrelation zur Abgastemperatur.
Prinzipbedingt sind beide Signale von den Parametern, Abgasmassenstrom und Abgastemperatur abhängig. Die Versuche zeigten einen deutlichen Zusammenhang der Signale gegenüber der Abgasgeschwindigkeit für den Rußladungssensor und ein starken Einfluss der Temperatur auf das Sensorsignal des Durchschlagsspannungssensors. Es wurde versucht, diese Einflüsse als Kompensations- bzw. Kalibrierkennlinien in stadtionären Betriebspunkten zu berücksichtigen.
Untersuchungen im ESC -Test haben die prinzipielle Eignung des Rußladungsverfahrens für die Überwachung der Partikelfilterfunktion gezeigt, wenn dies auch im Moment nur qualitativ möglich ist. Mit dem Durchschlagsspannungsprinzip konnten beim derzeitigen Entwicklungsstand keine oder nur bedingte Aussagen über die Rußkonzentration getroffen werden, da die Signalveränderungen stellenweise innerhalb der Wiederholgenauigkeit lagen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Hauser G., Kuhnert A.: Rußsensor für on-board Diagnose und als Präzisionsmessgerät; 2. FAD-Konferenz 10. - 11.11.2004; Dresden
Hauser G.: Vortrag vor dem Abgaszentrum der Automobilindustrie (ADA) am 10.03.05, Wolfenbüttel
Hauser G.: Vortrag bei der International Conference on Condition Monitoring am 20.07.05, Cambridge
Hauser G.: Postersession an der ETH Zürich von 15. bis 17.08.05
Hauser G., Kuhnert A.: Ausstellung und Präsentation des Rußladungssensors bei dem DPF-Retrofit Workshop am 21. - 22.06.2006 Dresden
Hauser G., Kuhnert A.: Vortrag und Veröffentlichung Smoke Particulate Sensors for OBD and high Pre-cision Measuring bei der SAE 2006 Commercial Vehicle Engineering Congress & Exhibition, October 31-November 2, 2006, Rosemont, IL, USA.
Gheorghiu V.: Ruß- und Partikelsensor für Onboard-Überwachung von Partikelfiltern und Kontrolle der Emissionen von Dieselmotoren; VDI AUTOREG 07. - 08.03.2006, Düsseldorf


Fazit

Innerhalb des von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Verbundprojektes PM-Sensor wurden zwei Sensorprinzipien auf ihre Funktion als Partikelsensor überprüft.
Ein Verfahren nach dem Ladungs- und dem Durchschlagsspannungsprinzip wurden am Motorenprüfstand untersucht und bewertet. Dabei musste beachtet werden, dass sich die Sensoren auf einem unterschiedlich, technischem Entwicklungsstand befinden.
Etablierte Beurteilungsverfahren wie die gravimetrische Partikelmessung, die Messung der Rauchtrübung und der Schwärzung wurden zum Vergleich der Sensorsignale herangezogen.
Beide Sensoren sind noch nicht in der Lage das gemessene Signal im dynamischen Betrieb als Rußkonzentration auszugeben, da sich in diesen Motorbetriebszuständen Abgastemperatur, Massenstrom u. a. Parameter gleichzeitig ändern.
Bis zum Einsatz als Partikelsensor im praktischen Fahrbetrieb bedarf es bei beiden Sensoren einer Weiterentwicklung des Verfahrens. Allerdings erscheint das Prinzip des Rußladungssensors beim derzeitigen Entwicklungsstand aussichtsreicher.
Da das Sensorsignal am Vollmotor durch eine Vielzahl von Abgasparametern beeinflusst wird, sollte eine Weiterentwicklung des Durchschlagsspannungssensors vorerst unter Laborbedingungen erfolgen.