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KOMBINATIONSSENSOR FÜR MOTORMANAGEMENT UND WENIGER EMISSIONEN

Die aktuellen Umweltstandards und globalen Anforderungen nach weniger Emissionen und geringerem Kraftstoffverbrauch in Benzin- und Dieselmotoren erfordern innovative Verbrennungsstrategien, bei denen die Ansaugluftfeuchte eine Regelkreisüberwachung ermöglicht.

Ansaugluftfeuchte, Temperatur und Druck sind drei wichtige Parameter für das Motormanagement. Damit kann der Benutzer Schadstoffemissionen, Kraftstoffverbrauch und Motorleistung in Echtzeit untereinander ausgleichen. Einer der branchenführenden Kombinationssensoren für Ansaugluftfeuchte und Drucksensoren ist der TRICAN Sensor von TE Connectivity (TE).

EINFÜHRUNG

Der TRICAN Luftansaugungssensor ist ein Feuchtigkeits-, Temperatur- und Drucksensor, der von TE Connectivity entwickelt und gefertigt wird. Dieser robuste und gut durchdachte Standardsensor wird den Integrationsbeschränkungen der Automobilindustrie und deren Anforderungen an Leistung und Zuverlässigkeit gerecht. TE hat über 12 Millionen Feuchtigkeitssensoren an die Automobilindustrie, das industrielle und gewerbliche Verkehrswesen und den Brennstoffzellenmarkt verkauft. Der erste Antrag dafür wurde 2004 beantwortet.

Die Feuchtigkeitskontrolle bei der Luftansaugung hat gezeigt, dass das Feuchtigkeitsverhältnis umgekehrt proportional zu Maximaldruck, Motordrehmoment und NOx-Emissionen ist.



Die Abgasnormen sind im Laufe der Jahre immer strikter geworden; für Dieselmotoren sind weniger als 80 mg/km Stickoxid [1] zulässig, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Entwicklung der Abgasnormen

Abbildung 1: Entwicklung der Abgasnormen

Die Feuchtigkeitskontrolle bei der Luftansaugung ist eine der Schlüsseltechnologien, die es Fahrzeugen ermöglichen, die Koordination des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu optimieren und die Abgasemissionen zu reduzieren.

Die Feuchtigkeits-kontrolle hat gezeigt, dass das Feuchtigkeitsverhältnis umgekehrt proportional zu Maximaldruck, Motordrehmoment und NOx-Emissionen ist.
TRICAN Sensor für Feuchtigkeit, Temperatur und Druck

GERÄTEBESCHREIBUNG

Der TRICAN Luftansaugungssensor besteht aus einem Kunststoffgehäuse, einem Steckverbinder mit vier Kontakten und einer Leiterplattenbaugruppe. Die Feuchtigkeitszelle gelangt durch eine PTFE-Membran in die Luftmasse, so dass die feuchte Luft in die Zelle eindringen und sie vor flüssigen Verunreinigungen oder Staub schützen kann. Die Druck- und Feuchtigkeitssensoren werden von TE Connectivity entwickelt und gefertigt.

Der TRICAN ist ein robuster Sensor für die Automobilindustrie, der für Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen optimiert ist. Dank der Heizvorrichtung in der Nähe des Feuchtigkeitssensorelements bietet er einen verbesserten Schutz vor Verunreinigungen und sorgt für eine rasche Erholung von der Kondensatbildung.

Abbildung 2: TRICAN Sensor im Querschnitt

Abbildung 2: TRICAN Sensor im Querschnitt

Bei Feuchtigkeits- und Temperatursignalen wird eine Signalkonditionierungsstufe verwendet, die es ermöglicht, eine Digitalleistung zu kommunizieren. Der Drucksensor-ASIC kommuniziert mit dem Mikrocontroller des Sensors. Der Sensor verfügt über Selbstdiagnosefunktionen, die einen Status wie „Kurzschluss”, „offener Stromkreis” oder die Diagnose „Außer Reichweite” veröffentlichen.

Abbildung 3: TRICAN Sensorarchitektur

Abbildung 3: TRICAN Sensorarchitektur

Sensorausgang

Der TRICAN Sensor unterstützt eine Zwei-Wege-Kommunikation zur Plausibilitätsdiagnose auf Systemebene mit einem anderen externen Sensor. Der digitale Ausgang nach J1939, CAN2.0 kann je nach Anforderungen des Kunden konfiguriert werden (CAN-Frame).

 

TRICAN liefert auf Wunsch relative Feuchte, spezifische Feuchtigkeit und Taupunkt. Er misst auch die Lufttemperatur und den Ansaugdruck, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Berechnung der spezifischen Feuchtigkeit

Abbildung 4: Berechnung der spezifischen Feuchtigkeit

  • Die relative Feuchte (RH) ist das Verhältnis des Partialdrucks von Wasserdampf zum Gleichgewichtsdruck des Wasserdampfs bei einer bestimmten Temperatur.
  • Spezifische Feuchtigkeit (Sh) ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfs zur Gesamtmasse des feuchten Luftpakets.
  • Der Taupunkt (DP) ist die Temperatur, auf die Luft heruntergekühlt werden muss, um mit Wasserdampf gesättigt zu sein. Wenn sie weiter heruntergekühlt wird, kondensiert sie und wird zu flüssigem Wasser.

Die Feuchtigkeitszelle von TE ist ein einzigartiger Hochleistungssensor in Bezug auf Genauigkeit, Robustheit, Reaktions- und Erholungszeiten. Ein dünnes dielektrisches Polymer wird zwischen einer oberen und einer unteren Elektrode eingeschlossen. Die dielektrische Kapazität ist proportional zur gemessenen Feuchtigkeit. Die Position am Sensor ermöglicht eine rasche Erholung von der Kondensatbildung und gleichzeitig einen starken Schutz vor Schadstoffbelastung. Unser Feuchtigkeitssensor bietet eine der niedrigsten Hysteresen und kürzesten Reaktionszeiten, die heute verfügbar sind.

Abbildung 5: Architektur der Feuchtigkeitszelle

Abbildung 5: Architektur der Feuchtigkeitszelle

SPEZIFIKATIONEN UND LEISTUNG

Der Sensor bietet einen digitalen Ausgang mit Selbstdiagnosefunktionen. Sein Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -40°C und +105°C und sein Feuchtigkeitsbereich zwischen 0 % und 100 %. Drei TRICAN Versionen ermöglichen unterschiedliche Netzteile: 5 V, 12 V und 24 V.

Eigenschaften von Feuchtigkeitssensoren

Abbildung 6

Der Drucksensor von TE wurde speziell für die Luftansaugung bei LKW und Off-Road-Fahrzeugen entwickelt. Sein Betriebstemperaturbereich liegt zwischen -40°C und +125°C und er bietet einen Druckbereich von bis zu 250 kPa mit sehr kurzer Rückmeldezeit.

Eigenschaften von Drucksensoren

Abbildung 7

Der Temperatursensor ist ein negativer Temperaturkoeffizient (NTC), der auf die Leiterplattenbaugruppe gelötet wird. Er bietet einen Temperaturmessbereich von -40°C bis 105°C mit einer Genauigkeit von ±0,5 °C.

TRICAN ANWENDUNGEN

Der TRICAN Sensor wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, bei denen Feuchtigkeit, Druck und Temperatur mit hoher Genauigkeit und schneller Reaktionszeit überwacht werden müssen. Die Hauptanwendungen umfassen:

Motormanagement für Diesel und Benzin

Es ist bekannt, dass Feuchtigkeit die Dichte der Luftansaugung beeinflusst und somit die Verbrennung beeinträchtigt [3, 4]. Eine AGR-Schleife erhöht den Anteil an Feuchtigkeit bei der Luftansaugung. Feuchtigkeits-, Temperatur- und Drucksensoren steigern die Leistung und optimieren den Kraftstoffverbrauch. Sie bieten folgende Vorteile:

  • Einspritzanpassung
  • Anpassen des Zündzeitpunkts
  • Überwachung der AGR- Betauung zur Vermeidung der Lebensdauerverkürzung von Zylindern
  • Reduzierung der NOx-Emissionen
  • Optimierung der AGR- Schleifenüberwachung

 

Motormanagement für Erdgas

Bei Erdgasmotoren ist die maximal erreichbare Leistung abhängig von der Ansaugluftfeuchte. Ein akkurates Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist bei Magermotoren unerlässlich.

 

Der Luftüberschuss senkt die Verbrennungstemperatur und reduziert damit gegenüber einem herkömmlichen NG-Motor die Stickoxidemissionen um die Hälfte. Durch den Überschuss an Sauerstoff ist die Verbrennung effizienter, da aus der gleichen Menge an Kraftstoff mehr Leistung erzeugt wird.

 

Ein Magermotor-Limit ist von der Feuchtigkeit abhängig und muss in Echtzeit angepasst werden, um Folgendes zu erzielen:

  • Verbesserter Wirkungsgrad
  • Geringere NOx-Emissionen, weniger Klopfen & Fehlzündungen

 

Virtuelle NOx

Die virtuelle NOx-Schätzung ermöglicht dank der Entfernung des vorgeschalteten NOx-Sensors eine hohe Kostensenkung. Einer der größten Vorteile besteht darin, dass die TRICAN Genauigkeit auch bei Kaltstartbedingungen hoch ist. Schließlich werden 50 % der Emissionen eines Fahrzyklus während des Kaltstarts erzeugt, wo NOx-Sensoren mindestens 20 Minuten lang nicht effizient sind. Unter diesen spezifischen Bedingungen sind die Emissionen am höchsten und erfordern eine spezifische Strategie.

 

Darüber hinaus können Temperatur- und Drucksensoren bei der Ansaugung durch den TRICAN ersetzt werden, was eine zusätzliche Kostensenkung ermöglicht.

Abbildung 8: Motorarchitektur

Abbildung 8: Motorarchitektur

Unser Feuchtigkeits-, Druck- und Temperatursensor vervollständigt oder ersetzt vorgeschaltete NOx-Sensoren. Er bietet hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit und verschiebt sich über seine Lebensdauer hinweg nur begrenzt. Er wird auch in einem Motorenmodell in Kombination mit dem vorgeschalteten NOx-Sensor verwendet, um Systemdiagnosefunktionen zu erzielen und die NOx-Genauigkeit über die Lebensdauer hinweg zu überwachen.

Brennstoffzelle

Eine optimale Brennstoffzellenleistung erfordert eine hohe relative Feuchte bzw. ist für eine optimale Brennstoffzellenleistung eine nahezu gesättigte Luftfeuchtigkeit (Rh >80 %) erforderlich. Die Durchlässigkeit der Protonenaustauschmembran hängt von ihrem Wassergehalt ab. Daher ist die relative Feuchte eine der wichtigsten Betriebsbedingungen, die sich auf die Leistung und Effizienz der Brennstoffzellen während der Lebensdauer des Stapels auswirken. 

 

Ein Luftbefeuchter wird am Einlass der Brennstoffzelle zum Korrigieren des Feuchtigkeitsverhältnisses verwendet. Eine der größten Herausforderungen für den Sensor ist ein Kaltstart, also wenn Betauung auftreten kann. Die Erfahrung vor Ort in rauen Umgebungen wie LKW-, Baumaschinen- und On-/Off-Road-Anwendungen, bei denen die Feuchtigkeitszelle von TE zum Einsatz kommt, hat gezeigt, dass sie eine zuverlässige Lösung darstellt, die eine schnelle Erholungszeit nach Betauung und eine hohe Reaktionszeit bietet. Auch Druck ist ein wichtiger Parameter für die Überwachung der Leistungsdichte. Der TRICAN Sensor eignet sich somit für Umgebungen mit hoher Feuchtigkeit und Temperatur.  Darüber hinaus sind die Sensorelemente gegen chemische Verunreinigungen geschützt.

FEUCHTIGKEITSEINFLUSS AUF VERBRENNERMOTOREN

Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, wirkt sich die Ansaugluftfeuchte in Bezug auf den maximalen Druck [2], das Drehmoment und die Schadstoffemissionen auf den Motorwirkungsgrad aus. Der folgende Abschnitt bezieht sich auf eine experimentelle Studie an einem Renault K4M-700 Vierzylinder-Benzinmotor, bei dem ein spezifischer Feuchtigkeitseinfluss auf das Drehmoment des Motors und die Emissionsgase hervorgehoben wird [5, 6].

Feuchtigkeitseinfluss auf das Motordrehmoment

Durch die Reduzierung der Verbrennungsgeschwindigkeit sinkt der maximale Zylinderdruck bei zunehmender spezifischen Feuchtigkeit. Wie in Abbildung 9 dargestellt, sinkt das Motordrehmoment um 5,5 %, wenn die spezifische Feuchtigkeit aufgrund der maximalen Druckreduzierung von 10 auf 40 g/kg ansteigt. Bei Bedingungen, unter denen die spezifische Feuchtigkeit 15 g/kg beträgt, sinkt das Motordrehmoment um 1 %, wenn die Messung um 5 g/kg variiert.

Abbildung 9: Motordrehmoment in Abhängigkeit von der spezifischen Ansaugfeuchtigkeit

Abbildung 9: Motordrehmoment in Abhängigkeit von der spezifischen Ansaugfeuchtigkeit

Feuchtigkeitseinfluss auf die Emissionen

Kohlenwasserstoffemissionen entstehen durch unverbrannte Partikel aufgrund von Wandlöschungsphänomenen. Sie nehmen zu, wenn die Luftfeuchtigkeit zunimmt, während Kohlendioxid und Stickoxid abnehmen, wenn die Luftfeuchtigkeit zunimmt.

 Abbildung 10: Stickoxid in Abhängigkeit von der spezifischen Ansaugfeuchtigkeit

Abbildung 10: Stickoxid in Abhängigkeit von der spezifischen Ansaugfeuchtigkeit

Abbildung 11: Kohlenoxid in Abhängigkeit von der spezifischen Ansaugfeuchtigkeit

Abbildung 11: Kohlenoxid in Abhängigkeit von der spezifischen Ansaugfeuchtigkeit

Bei Bedingungen, unter denen die spezifische Feuchtigkeit 15 g/kg beträgt und die Messung um 5 g/kg variiert, ist der Emissionseinfluss folgender: 1,5 % mehr Kohlenwasserstoff, 7,2 % mehr Stickoxid und 5,4 % mehr Kohlendioxid.

 

Die adiabatische Temperatur am Ende der Verbrennung wirkt sich auf die bei der Verbrennung freigesetzte Wärmemenge und damit auf die Arbeit des Kolbens aus, die sich wiederum auf die Motorleistung auswirkt.

ZUSAMMENFASSUNG

Die Überwachung der spezifischen Feuchte ist ein Schlüsselfaktor für das Motormanagement und die Leistung der Brennstoffzellen. Mehrere Vorteile von Feuchtigkeitssensoren wurden bereits demonstriert. Sie ermöglichen eine genaue Steuerung des geschlossenen Regelkreises. Eine hohe Genauigkeit in Bezug auf den Temperaturbereich ist ein Muss, um Emissionsvorschriften zu erfüllen.

Ansaugluftfeuchte wirkt sich auf die Zusammensetzung des Verbrennungsgases und die Schadstoffemissionen aus. Die Stickoxid- und Kohlenoxidemissionen können durch genaue Überwachung der spezifischen Feuchtigkeit verringert werden.


QUELLENANGABEN

 

[1] caremissionstestingfacts.eu

 

[2] Influences of Charge Air Humidity and Temperature on the Performance and Emission   Characteristics of Diesel Engines, Cherng-Yuan Lin, Yuan-Liang Jeng
 

[3] Advanced Combustion for Low Emissions and High Efficiency, Cracknell, R., Ariztegui, J., Barnes
 

[4] Water addition to gasoline, effect on combustion, emission, performance and knock, J.A. Harrington 
 

[5] Etude numerique et experimentale de l’influence de l’humidité de l’air sur la combustion. Application aux strategies de reduction d’émissions polluantes et de consummation des moteurs à pistons, Yannick Duhé
 

[6] Effect of Ambient Temperature and Humidity on Combustion and Emissions of a Spark-Assisted Compression Ignition Engine, Yan Chang, Brandon Mendrea Jeff Sterniak, Sranislav Bohac