Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur mobilen Kohlenwasserstoff-Messung an Kraftfahrzeugen
Projektdurchführung
Hochschule Karlsruhe - University of Applied Sciences Technik und Wirtschaft Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik Institut für Kälte-, Klima- und UmwelttechnikMoltkestr. 30
76133 Karlsruhe
Zielsetzung
Innerhalb der Euro 6-Gesetzgebung wurden sogenannte Real-Drive-Emission-Tests (RDE) eingeführt, in denen ausgewählte Schadstoffe während einer realistischen Fahrt gemessen werden. Da für die Messung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC-Emissionen) bisher aber nur wasserstoffbetriebene Flammen-Ionisations-Detektoren (FID) eingesetzt werden können, wird die Messung dieser HC-Emissionen weiterhin nur in den stationären Labortests vorgeschrieben.
Ziel des Vorhabens ist es daher, eine neuartige Methode zur Bestimmung der HC-Konzentration in Gasen zu untersuchen, die ohne Wasserstoff betrieben wird. Ähnlich wie bei einem FID soll auch bei der untersuchten Methode die von der HC-Konzentration abhängige Ionisierung des Probengases gemessen werden. Die Ionisierung des Probengases erfolgt jedoch - statt mit einer Wasserstoffflamme - mit einer temperaturgeregelten elektrisch beheizten heißen Oberfläche. Der wasserstofffreie Betrieb der Messtechnik erlaubt eine einfachere Handhabung und einen sicheren Betrieb in oder an den Fahrzeugen, die während eines RDE-Tests am realen Verkehr teilnehmen. Der geringere Bauraumbedarf erlaubt eine einfache Einbildung in das mobile Messtechniksystem.
Arbeitsschritte
Aufbauend auf Voruntersuchungen mit einem Laborprototypen wurde zunächst ein verbesserter
Laborprototyp mit zahlreichen Variationsmöglichkeiten entwickelt, hergestellt und untersucht. U.a. wurden unterschiedliche Elektrodengeometrien und -anordnungen eingesetzt.
Dabei wurde insbesondere die Wärmeübertragung und die räumliche Zuordnung und die Eigenschaften des elektrischen Felds zwischen den Elektroden anhand verschiedener Geometrievarianten untersucht. Zur Verringerung von temperaturbedingtem Signaldrift, wurde für das HC-Sensorelement (ähnlich wie FID) ein thermisch konditioniertes Gehäuse entwickelt.
Neben den experimentellen Untersuchungen wurden Simulationsmethoden eingesetzt.
Mittels FEM wurde die räumliche Verteilung des elektrischen Felds zwischen den Elektroden der
Ionenstrommesstechnik für unterschiedliche Geometrievarianten berechnet. Mittels 3D-CFD wurde das Strömungsverhalten und insbesondere die Wärmeübertragung zwischen der heißen Oberfläche und dem Probengas und der damit einhergehenden räumlichen Temperaturverteilung untersucht. Für ein tieferes Verständnis über die die temperaturabhängige chemischen Ionisierung wurde die CFD um die Berechnung der Reaktionskinetik ergänzt. Ziel der Arbeiten war die Intensivierung der Ionenbildung bei begrenzter Oberflächentemperatur des beheizten Elements, um einerseits die Reproduzierbarkeit des Signals als auch das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.
Die experimentellen Untersuchungen wurden mit kalibrierten Probengasen als auch mit realen
Motorabgasen durchgeführt.
Ergebnisse
Die Wärmeübertragung zwischen heißer Oberfläche und dem Probengas konnte verbessert werden,
ebenso die räumliche Zuordnung des beheizten Probengases mit dem elektrischen Feld.
Durch die thermische Konditionierung des Sensorelements konnte insbesondere die Aufheizzeit sowie
die Temperaturdrift verringert werden.
Ein von der HC-Konzentration abhängiges Ionenstromsignal kann erzeugt und gemessen werden.
Allerdings konnte trotz einer Vielzahl an Variationen bezüglich Geometrie und Betriebsparameter aufgrund des Einflusses von zum Teil noch unbekannten Störgrößen noch keine ausreichende Reproduzierbarkeit des Messsignals erreicht werden.
Öffentlichkeitsarbeit
Wissenschaftliche Publikation:
- Salim, N. et al.: Portable HC-Tracker: Development of a Flameless Method for Mobile Hydrocarbon
Measurement in Vehicle Exhaust, 21. International Stuttgarter Symposium, https://doi.org/10.1007/978-3-658-33521-2_29, 2021
Bachelorarbeiten:
- Heeg, R.: Konzeptionierung und Entwicklung einer thermisch isolierenden Messkammer für einen
Kohlenwasserstoffsensor, Bachelorarbeit, Hochschule Karlsruhe, 2022.
- Müller, M. A.: Entwicklung und Durchführung von Versuchsreihen zur Analyse der Querempfindlichkeit
eines Kohlenwasserstoffsensors, Bachelorarbeit, Hochschule Karlsruhe, 2023.
Kurzvorstellung des Projekts auf der Instituts-Website:
- https://www.h-ka.de/ikku/genlab/portable-hc-tracker
Eine geplante Vorstellung auf der Hannover-Messe 2020 und 2021 (auf dem Baden-Württemberg-Pavillon im Rahmen der Profilregion Mobilitätssysteme Karlsruhe) ist wegen der Corona-Pandemie ausgefallen.
Fazit
Es konnte nachgewiesen werden, dass das Sensorprinzip ein von der HC-Konzentration im Probengas abhängiges Ionenstromsignal erzeugt. Allerdings sind weitere Untersuchungen erforderlich, um den
Ionisierungsprozess sowie den Ursachen und Einflüsse von Störgrößen zu verstehen.