Aufbau eines konventionellen FID Aufbau des Cambustion FFID

Das FFID zur schnellen HC Messung
Ein Gerät das sehr häufig mit Indiziermessungen gekoppelt wird ist das zweikanalige „Fast Response
FID“ der Firma Cambustion (FID = Flammen Ionisations Detektor). Prinzipbedingt ist dieses Gerät für
sehr schnelle Kohlenwasserstoffmessungen geeignet, d.h. bei Motordrehzahlen von 1000 – 2000
U/min ist sogar eine kurbelwinkelaufgelöste Messung denkbar. Die T90-Zeit (Zeit zur Anzeige von
90% des Messwertes) liegt je nach Größe der Mess-Kapillare bei ca. 2msec. Im Gegensatz dazu
benötigt ein konventionelles FID u.U. mehrere Sekunden bis der Messwert korrekt angezeigt wird.
Aufbau eines konventionellen FID
Aufbau des Cambustion FFID
Das vorstehende Bild zeigt die wesentlichen Funktionen eines FID sowie die grundlegenden Unterschiede
zwischen den beiden Bauformen. Bei einem FID wird eine Mischung aus reinem Wasserstoff
(Fuel gas) und synthetischer (hochreiner) Luft (Air) in einem elektrischen Feld von ca. 200V verbrannt.
Werden der Flamme Kohlenwasserstoffe zugegeben, dann bildet sich in dieser Flamme ein C-
Ionenstrom der proportional zur HC-Konzentration ist. Damit eine genaue Zuordnung möglich ist,
muss das Gerät zuvor mit einem Kalibriergas bekannter HC-Konzentration kalibriert werden. Die
Konzentrationen werden üblicherweise in ppm (Volumenkonzentration) gemessen. Der wesentliche
Unterschied zwischen dem Cambustion-System und dem konventionellen System ist in dem
geometrischen Aufbau zu finden. Das konventionelle Gerät hat eine relativ lange und auch dicke
Probenleitung, so dass die Abgasprobe eine recht lange Zeit benötigt um zu der Auswerteeinheit zu
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gelangen. Bei dem Cambustion-System ist der Detektor für die Ionen direkt im Messkopf in
unmittelbarer Nähe der Wasserstoffflamme angeordnet und die Probenleitung ist eine kurze, beheizte
Kapillare, so dass die Probennahme und die Auswertung in unmittelbarer Nähe der Messstelle erfolgt
und die Ergebnisse nur noch elektrisch übertragen werden müssen. Das ist der Grund für die sehr
kurzen Messzeiten. Allerdings sind einige Kompromisse nötig, denn aufgrund des kleinen einfachen
Sensors entspricht die Genauigkeit nicht der der großen Geräte und die Kapillare bringt erhebliche
Verschmutzungsprobleme mit sich, die den Messzeitraum bis zur nächsten Reinigung der
Messkapillare begrenzen. Nachstehend ist der Aufbau eines solchen Cambustions Gerätes
aufskizziert.
Aufbau des Fast Response FID
Messkopf
Beheizte Probenleitung
Auf diesem Bild ist die Bedieneinheit dargestellt, mit den Eingängen für die benötigten Gase sowie
den elektrischen Anschlüssen für die Übertragung von Steuerbefehlen und Daten. Messaufbauten
dieser Art werden typischerweise für HC-Messungen in Auslasskanälen von Verbrennungsmotoren
benutzt, oder aber für Emissionsmessungen vor und nach dem Katalysator während des Kaltstarts
sowie des angrenzenden Warmlaufs.
Ein weiterer wichtiger Anwendungsfall ergibt sich insbesondere im Zusammenhang mit der Zylinderdruckindizierung.
Das FRFID (HFR400 / HFR500) ist bisher das einzige Gerät, dass sich auch für HC-
Messungen im Zylinder eignet. Es ist somit möglich die HC-Konzentration an einer Stelle im Brennraum
vor, während und nach der Verbrennung zu messen. Die Messung ist zwar nicht so sonderlich
genau weil der stark veränderliche Druck im Zylinder eine genaue Kalibrierung nahezu unmöglich
macht, aber das Zeitverhalten von Gemischbildungsvorgängen lässt sich damit sehr genau untersuchen.
Ein häufig verwendeter Anbringungsort der Sonde für eine Innenzylindermessung ist die
Zündkerze. Ein derartiger Aufbau ist dem folgenden Bild zu entnehmen.
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Zu erkennen ist die Lage der Abgaskapillare innerhalb der Zündkerze und damit auch die Stelle der
Probennahme im Brennraum.
Zündkerze
Abgaskapillare
Kolben
Auf dem nächsten Bild ist eine solche Messzündkerze sowie der typische Signalverlauf einer Innenzylinder-HC-Messung
zu erkennen. Diese Messzündkerzen sind von den typischen Indizierzündkerzen
abgeleitet worden.
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Wie zu erwarten spielt das Luftverhältnis bei der maximalen Signalhöhe eine eindeutige Rolle, dass ist
auch plausibel weil bei einem geringeren Luftverhältnis die HC-Konzentration zwangsläufig höher sein
muss.
Das vorstehende Bild zeigt den prinzipiellen Verlauf des Signals und wie das Signal zu interpretieren
ist. Der Anfang des Signalverlaufes ist ungültig aufgrund des niedrigen Druckniveaus im Zylinder. Hier
muss für den Zylinderdruck ein Mindestwert erreicht werden, damit ausreichend Probengas in die
Messkammer gelangt. Der sich anschließende Anstieg ist durch die Befüllung des Systems bedingt
und ist ebenfalls ein nicht verwertbares Signal. Erst der Spitzenwert ist gültig, denn er stellt die real im
Brennraum an der Messstelle vorhandene HC-Konzentration dar. Der sich daran anschließende
rasche Signalabfall ergibt sich durch die Verbrennung, die über die Messstelle hinwegläuft. Das sich
dann einstellende niedrige Signal zeigt die HC-Konzentration im Restgas, sowie später noch die
Reaktionen die durch die aus dem Feuerstegbereich herausdampfenden Kohlenwasserstoffe entstehen.
Dieses Signal ist allerdings entsprechend den systembedingten Totzeiten verschoben und wenn
die Notwendigkeit einer genauen Kurbelwinkelzuordnung gefordert ist, dann muss mit Hilfe von Rechnungen
eine Signalverschiebung durchgeführt werden.
In den nächsten Bildern soll noch gezeigt werden, wie das Signal unter verschiedenen Randbedingungen
aussieht. Mit steigender Motordrehzahl wird die Anstiegsflanke des Signals deutlich schmaler,
da in diesem Fall die Zeitbasis bis zum Eintreffen der Flammenfront kürzer ist. Die maximale Signalhöhe
ist aber auf gleichem Niveau wie bei der geringeren Drehzahl und das ist wichtig, weil nur die
Signalhöhe entscheidend ist, wie schon zuvor erwähnt.
Die zyklischen Schwankungen, die schon von der Zylinderdruckindizierung bekannt sind, können auch
bei der HC-Messung im Brennraum nachgewiesen werden. Die Ursachen dafür ergeben sich aus den
zyklischen Schwankungen von Luftliefergrad und Restgasanteil, wie bereits schon zuvor erwähnt.
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Das nächste Bild zeigt die Messung an einem Motor mit langsamer und nicht vollständiger Verbrennung.
Zumindest am Messpunkt ist im Brennraum ein relativ mageres Kraftstoff-Luftgemisch, das
höchstwahrscheinlich zu einer verzögerten Verbrennung mit vorzeitigem Verlöschen der Flamme
führt. Darauf deuten auch die recht hohen Post-Flame HC-Emissionen hin.
Das nächste Bild zeigt den Einfluss von Fehlzündungen auf die HC-Emissionen der nachfolgenden
Arbeitsspiele. Bei diesem Versuch wird die Zündung abgeschaltet und der Motor weiter geschleppt.
Da im Einlasskanal von Ottomotoren immer Kraftstoff gespeichert ist, bekommt der nicht befeuerte
Zylinder weiterhin Kraftstoff und demzufolge steigt der HC-Pegel im Brennraum zunächst von Zyklus
zu Zyklus an. Erst wenn der Kraftstoff im Einlasskanal abgesaugt ist, kann der HC-Pegel wieder
absinken.
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Während eines solchen Schleppbetriebes ergibt sich gleichzeitig die Möglichkeit, eine Signalprüfung
hinsichtlich der Druckabhängigkeit der Ergebnisse vorzunehmen. Wird der Motor nicht befeuert dann
bleibt das Niveau der HC-Konzentration während der Hochdruckphase konstant, demzufolge muss
auch das Signal des FFID konstant bleiben. Wie dieser Signalverlauf aussehen muss, ist dem
nachfolgenden Bild zu entnehmen. Wird dieses Ergebnis so nicht erreicht, dann muss die
Messstrecke überprüft werden.
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Um bei einer HC-Messung im Brennraum doch zu einer brauchbaren Aussage hinsichtlich des absoluten
HC-Niveau zu kommen besteht die Möglichkeit, denn Messkopf auch während der Messung
permanent mit Kalibriergas zu beaufschlagen. Bei geringem Druck im Zylinder wird dann das Kalibriergas
gemessen, während in der Hochdruckphase der Zylinderdruck den Kalibriergasdruck „überdrückt“
und es damit zu einer Messung der Kohlenwasserstoffe im Brennraum kommt. Da der
Messbereich linear aufgelöst wird, ist eine direkte Berechnung der Brennraum-HC-Werte möglich.
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