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

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Inhaltverzeichnis Danksagung

1 1.1 1.2 1.3 1.4 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.1.3 2.4.2 2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.2.3 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.2.1 2.5.2.2 2.5.2.3 2.5.2.4 2.5.2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.4.1 2.6.4.2 2.7 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4

Einführung in die Thematik Anwendung im Kraftfahrzeug Gliederung Einsatz im Schiffs- und im Flugzeugbau Zusammenfassung: Geschichte von OBD/OBM 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 J2012 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 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

1 1 2 4 7 9 9 12 13 14 14 14 15 15 15 15 15 16 16 17 18 18 18 18 19 19 20 20 23 24 26 26 27 30 32 32 34 36 37 38 39 40 40 42

4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.5.1 4.4.5.2 4.4.6 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6 4.5.7 4.6 4.7 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 5.4 5.5 5.6

Stand der Messtechnik 44 Bedeutende Verfahren in der Abgasanalyse 47 Großanalysatoren 47 Lasergestütztes Infrarotmessgerät DEGAS IV 47 Dynamischer Multi-Komponenten Gasanalysator PEGASys FTIR 48 Laser-Fernmesssystem DIM 950 49 Prüfstandsmessgeräte 50 NOx-Messtechnik mit Chemolumineszenz 51 FID-Technik für die Erfassung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe.. 52 Bestimmung von CO und CO2 mit der infraroten Spektrophotometrie.... 54 Ammoniakmessung am Prüfstand 55 OBM- Feldmessgeräte 56 Geprüfter und zugelassener Großanalysator vom Typ VOEM 56 On-Road-Feldmessgerät vom Typ Semtech-G 58 On-Road-Feldmessgerät vom Typ OBS-1000 58 Gasanalysatoren für On-Board-Measurement 59 Kraftstoffverbrauchsmessgeräte im Feldeinsatz 60 Präzisionsmessgeräte 60 Messgeräte für den täglichen Gebrauch 60 On-Board-Measurement mit Multigasmesstechnik für den Dauereinsatz 61 Sensortechnik 62 Lambdasonde 62 NOx-Sensor 63 Sensor für brennbare Gase 64 NH3-Messzellen 65 Multigassensoren vom Typ SEGASENS 67 Partikelmesstechnik 67 Bestimmung des Massenstromes 68 OBM- Mikrosensoren im Kraftfahrzeug 68 Zusammenfassung: Stand der Mess- und Sensortechnik 71 OBM-System 73 Prinzip der IR-Technik 73 Infrarotoptische Spektren 73 Erfassung der Absorption 74 NDIR- Messverfahren 74 Strahlerbau 75 Detektorstrukturen 77 Küvettentechnik 78 Beschreibung des OBM- Systems 79 Probeentnahmetechnik 84 Regenerierbarer Filter 85 Nachjustierung des Nullpunktes durch Nullumschaltung 88 Kühlung des Gases 89 Erfassung von Parametern mittels externer Messfühler 89 GPS-Modul 90 Korrektur der Kennlinie 91 Bestimmung des Temperatureinflusses 92 Schnelles Messgerät für motornahe Bestimmungen 94 Infrarotoptische Küvette mit einem quergestellten Strahler und HC-Analysator für besonders niedrige Konzentrationen

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5.7 5.8 5.9 5.9.1 5.10 5.11 6 6.1 6.1.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.2.1 6.2.2.2 6.2.3 6.2.3.1 6.2.3.2 6.2.4 6.2.4.1 6.2.4.2 6.2.4.3 6.2.5 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.4.1 6.3.4.2 6.4 6.5 6.6 7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.4 7.5 7.6 7.7 8 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.2.1 8.1.2.2 8.1.3

NH3-Bestimmung mit OBM 97 Verschmutzungsproblematik von OBM-Systemen im Feld 99 Miniaturisierung heutiger OBM-Systeme 102 Multireflexionsküvette 103 Zukunftsvisionen 105 Zusammenfassung: On-Board-Gerätetechnik 108 Applikationen mit dem OBD/OBM-System am Kraftfahrzeug 110 Minderung der Emission über zylinderspezifische Regelmaßnahmen.. 110 Schnelle Zylinderabschaltung und variable Verdichtung 113 Abgasreinigung am Katalysator 114 Allgemeine Grundlagen 114 Oxidationskatalysator 114 Light-off-Punkt 115 Alterung des Oxidationskatalysators 115 Reduktionskatalysator 117 Senkung von NOx durch die Zuführung von Harnstoff 117 NOx-Reduktion durch die Zugabe von Kohlenwasserstoffen 117 Sicherung niedriger Emissionen am Katalysator 118 Überwachung des Oxidationskatalysators durch OBM-Sonden 118 Erkennen von Verbrennungsaussetzern 120 Kaltstartmessung am Fremdzündungsmotor 121 Regelung der Sekundärlufteinblasung 123 Regelung der Abgasnachbehandlung am Fremdzündungsmotor 125 Gefährdungspotentiale 125 Abgasrückführung 127 Geregelte Entstickung 129 Partikelfilter 131 Regenerierbarer Filter 131 CRT-Partikelfilter 132 Einsatz der OBM-Technik auf dem Rollenprüfstand 132 Berechnung von Emissionsmassenströmen im Kraftfahrzeug 135 Zusammenfassung: Applikationsmöglichkeiten 139 ökologische Routenplanung 143 Einflussgrößen auf das Emissionsniveau 143 Experimentelle Arbeit 144 Ausrüstung von Versuchskraftfahrzeugen 144 Einbau des OBM-Systems 146 Elemente des eingesetzten OBM-Systems 147 Speicherung und Übertragung der Daten 150 Visualisierung am PC 151 Ergebnisse der Fahrversuche 152 Praktische Möglichkeiten der optimalen Routenplanung 154 Bedeutung des ökologischen Fahrstils 155 Zusammenfassung: Ökologische Routenplanung 159 Senkung der Schwefelemission 161 Erfassung von Schwefel 161 Grenzwerte für die Schwefelemission 161 Abgasreinigungskonzept ohne Schwefel im GDI-Motor 162 Nicht-Selektiver Katalysator 162 Speicherkatalysator 163 Speicher-Reduktionskatalyse für Stickstoff und Schwefel 164

8.1.3.1 8.1.3.2 8.1.4 8.2 8.3 9 9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.2.1 9.1.2.2 9.1.2.3 9.1.2.4 9.1.2.5 9.1.3 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.3 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.5 10.6 10.7 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 13 13.1 13.2 13.3

Schwefelvergiftungsprozess 165 Funktionsweise von NOx-Speicherkatalysatoren mit Schwefel 166 Schwefelmessung im Feldeinsatz 166 Messung von S0 2 und H2SmitOBM 168 Zusammenfassung: Senkung der Schwefelemission 172 OBD/OBM für zukünftige Kraftstoffe 174 Erdgas als Kraftstoff 174 Schwankung der Erdgasqualität 175 Maßnahmen bei Qualitätsschwankungen 175 CNG 175 Stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis 176 Heizwert 176 Oktanzahl 176 Korrektur der Zündung 177 Bestimmung der HC-Konzentration im Abgasstrom mit OBM 177 Künstliche Kraftstoffe 179 Eigenschaften von Synfuel und Sunfuel 179 Emission zukünftiger Kraftstoffe 180 Wasserstoff als Kraftstoff 181 Neue Kraftstoffe in Kraftfahrzeugen 181 Zusammenfassung: Szenarien mit zukünftigen Kraftstoffen 183 Emissionen an der Start- und Landebahn von Flughäfen 185 Ziele der experimentellen Arbeit 185 Statistische Emissionsdaten 185 Wichtige Reaktionen in der Atmosphäre 187 Beschreibung der Vorexperimente am Hilfstriebwerk 187 Messanordnung 188 Messbedingungen 188 Messergebnisse am Hilfstriebwerk 188 Darstellung der Messgeräte für den Feldversuch 189 Installation der Geräte und erste Messergebnisse 191 Zusammenfassung: Applikationen in der Luftfahrt 195 Messung der Emission aus Schiffsdieselmotoren 197 Gesetzliche Vorgaben 197 Ziele der experimentellen Arbeit 198 Versuchsaufbau am Schiff 199 Auswertung der Messergebnisse 200 Anwendungsmöglichkeiten der OBD/OBM-Technik in der Schifffahrt... 202 Zusammenfassung: Ergebnisse der OBM in der Schifffahrttechnik 204 Umwelt- und Klimawirksamkeit von OBD/OBM-Maßnahmen 206 Verbrauchsdaten 206 Klimabelastungen 208 Demografischer Wandel in Europa 210 Verbrauch globaler Ressourcen 211 Erneuerbare Rohstoffe 214 Senkung der C02-Emission im Verkehr 214 Zusammenfassung: Umweltaspekte von OBD/OBM 217 Veränderbarkeit des Gesellschafts- und Verhaltensmusters 219 Globalisierung durch Mobilität 219 Low-Cost-Kraftfahrzeuge mit Intelligenz 220 Klimaschutz als Vorbeugung 221

13.4 Zusammenfassung: Gesellschaftlichen Verhaltensanalyse Literaturverzeichnis Literaturquellen, gruppiert nach Fachgebieten Abkürzungsregister Sachwortregister Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

224 226 238 240 243 248 253