Lukas Landl, Stefan Hausberger, Kurt Tiesenhausen, Leonard Geppert, Jürgen Blassnegger, Claus Matzer, Andrej Prosenc

• Das vorliegende Projekt untersucht den Ansatz, dass die NOx-Emissionen im laufenden Betrieb von in den Fahrzeugen verbauten Sensoren erfasst werden und zu dem innerhalb des ebenfalls im Betrieb erfassten Kraftstoffverbrauch in Relation gesetzt werden können. Innerhalb dieses Projekts wurden acht Dieselfahrzeuge (1 Diesel mild Hybrid), drei Ottofahrzeuge (1 Otto mild Hybrid, 1 Otto Hybrid) untersucht, um die als QNOx bezeichnete Methode weiterzuentwickeln. Alle Fahrzeuge entsprachen mindestens der Emissionsklasse Euro 6d-Temp. Die Messungen fanden je Fahrzeug über insgesamt 1000 km Laufleistung statt, wobei rund 700 km im Serienzustand unter normalen Betriebsbedingungen und rund 100 km unter extremen Fahrbedingungen absolviert wurden, bei denen man hohe NOx-Emissionen je kg Kraftstoff erwartete. Jeweils 200 km wurden mit einem verbauten Fehler an der Abgasnachbehandlung, welcher zu erhöhten NOx-Emissionen führen sollte, durchgeführt. Die für die QNOx-Ermittlung erforderlichen Messdaten wurden über die OBD-Schnittstelle ausgelesen und mit Datenlogger-Systemen aufgezeichnet und gespeichert. Im Laufe des Projekts und auch bei vorangegangenen Messungen zeigte sich, dass das erforderliche NOx-Signal des Sensors am Auspuffende teilweise über die OBD-Schnittstelle nicht oder erst nach einer gewissen Fahrzeit verfügbar war. In solchen Fällen wurde ein externer NOx-Sensor nach der Abgasnachbehandlung in das Abgassystem eingebaut und das Signal in den Datenlogger eingebunden. Parallel zu den Messungen wurde ein Datenfilter- und Auswertemodell entwickelt, welches die Messdaten aufbereitet und das gNOx/kg Kraftstoffverbrauch Verhältnis berechnet. Der Datenfilter stellt dabei sicher, dass Fahrsituationen, die nicht für die Beurteilung geeignet sind, erkannt und aus der Bewertungsmethodik ausgeschlossen werden. Aus den mit dem Datenfiltermodell bearbeiteten Datensätzen wurde dann aus den jeweils über 100 km aufsummierten NOx-Emissionen und dem Kraftstoffverbrauch das gNOx/kg Kraftstoffverbrauch Verhältnis (QNOx) gebildet. Nach jeweils 50 km wurde ein neues Bewertungsfenster begonnen. Bei den Messungen an den Dieselfahrzeugen konnten mit der QNOx-Methode defekte Fahrzeuge eindeutig erkannt werden. Dies war sowohl bei den Testfahrten mit manipulierten Abgasnachbehandlungssystemen, als auch bei den Testfahrten mit jenen zwei Fahrzeugen, welche von sich aus mit einem Fehler behaftet waren, der Fall. Die Analyse der Methodenergebnisse zeigte auch, dass das Datenfiltermodell all jene Betriebszustände, welche unter Umständen bei der Bewertung zu Fehlinterpretationen führen, entfernen konnte. Bei den Ottofahrzeugen wurde ein Fehler im Abgassystem mittels Abstecken der Lambdasonde simuliert. Das bewirkte bei den untersuchten Fahrzeugen, dass diese im Betrieb auf Lambda-Kennfeldwerte zurückgriffen. Das führte zu keinen wesentlich erhöhten Emissionswerten bei den Testfahrten, sodass von der QNOx-Methode auch kein Wert, der auf einen Fehler schließen lässt, angezeigt werden konnte. Nach Abschluss der Messungen an acht Testfahrzeugen mit Dieselantrieb und drei Ottofahrzeugen wurden mit den generierten Daten Vorschläge zur QNOx-Schwellwertdefinition erarbeitet. Aus den vorliegenden Messergebnissen ergab sich, dass ein Schwellwert zur Unterscheidung von intakten und fehlerhaften Abgassystemen für Dieselfahrzeuge im Bereich von 2 bis 3 gNOx/kg Kraftstoff und für Ottofahrzeuge unterhalb von 2 gNOx/kg Kraftstoff liegen sollte. Da bei Fahrzeugen der Abgasstufe EURO 7 das OBM-System einen Fahrzeugfehler anzuzeigen hat, wenn die NOx-Emissionen den Grenzwert um mehr als das 2.5-fache überschreiten, liegt es nahe, diesen Faktor auch für die Ableitung des QNOx-Schwellwertes anzusetzen. Für den Schwellwert muss also der EURO 7 NOx-Grenzwert, erweitert um Messunsicherheiten und den High-Emitter-Faktor, durch einen repräsentativen Verbrauchswert dividiert werden, um eine Schwelle für gNOx/kg Kraftstoff zu berechnen. Da bei unterschiedlichen PKW-Segmenten der NOx-Grenzwert gleich ist, die Verbrauchswerte jedoch sehr unterschiedlich sein können, werden die gemessenen Verbrauchswerte um das Verhältnis von durchschnittlichem Verbrauch pro km zu fahrzeugspezifischem Verbrauch pro km korrigiert. Dies kann zukünftig automatisiert ablaufen, da der Typprüf-CO2-Wert im Environmental Vehicle Pass abgelegt ist. Die Auswertung zeigte, dass ein Schwellwert von 3 gNOx/kg Kraftstoff für Dieselfahrzeuge und 1,83 gNOx/kg Kraftstoff für Ottofahrzeuge als Kriterium für ein funktionierendes Abgasnachbehandlungssystem herangezogen werden könnte. Die Schwellwerte müssten noch an einer Vielzahl von Fahrzeugen der Emissionsstufe EURO 7 validiert werden. Abschließend wurde eine Bewertung hinsichtlich der Tauglichkeit der Methode als PTI Instrument durchgeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass mit der QNOx-Methode zwischen Fahrten mit defektem und gut funktionierendem Abgasnachbehandlungssystem unterschieden werden konnte. Da in den aktuellen Entwürfen zur EURO 7 Gesetzgebung eine fahrzeuginterne Berechnung von QNOx-Werten vorgesehen ist, wäre eine Zustandsbewertung der NOx-Nachbehandlungssysteme im Rahmen der AU mit einem Auslesen der QNOx-Daten über die OBD Schnittstelle einfach realisierbar.
• This project investigates the approach of using NOx sensors installed in vehicles to measure NOx emissions during operation and relating them to fuel consumption, which is also measured during operation. Within this project, eight diesel vehicles (1 mild diesel hybrid) and three petrol vehicles (1 mild petrol hybrid, 1 petrol hybrid) were investigated in order to further develop the method known as QNOx. All vehicles complied with at least the Euro 6d-Temp emission class. The measurements were performed on each vehicle over a total mileage of 1,000 km, with around 700 km completed in series production condition under normal operating conditions and around 100 km under extreme driving conditions, where high NOx emissions per kg of fuel were expected. Each vehicle was also driven for 200 km with a built-in fault in the exhaust aftertreatment system that was designed to cause increased NOx emissions. The measurement data required for the QNOx determination was read out via the OBD interface and recorded and stored using data logger systems. In the course of the project and also during previous measurements, it became apparent that the required NOx signal from the sensor at the end of the exhaust pipe was sometimes not available via the OBD interface or only after a certain driving time. In such cases, an external NOx sensor was installed after the exhaust aftertreatment at tailpipe and the signal was integrated into the data logger. Parallel to the measurements, a data filter and evaluation model was developed which processes the measurement data and calculates the gNOx/kg fuel consumption ratio. The data filter ensures that driving situations that are not suitable for evaluation are identified and excluded from the evaluation methodology. From the data sets processed with the data filter model, the gNOx/kg fuel consumption ratio (QNOx) was then calculated from the NOx emissions and fuel consumption summed over 100 km. A new evaluation window was started after every 50 km. The QNOx method clearly identified defective vehicles during the measurements on the diesel vehicles. This was the case both in the test drives with manipulated exhaust aftertreatment systems and in the test drives with the two vehicles that had a fault of their own. Analysis of the method results also showed that the data filter model was able to remove all operating conditions that could potentially lead to misinterpretations during evaluation. In the petrol vehicles, a fault in the exhaust system was simulated by disconnecting the lambda sensor. This caused the vehicles tested to switch to lambda map values during operation and did not lead to significantly increased emission values during the test drives, so that the QNOx method did not display any values that would indicate an error. After completing the measurements on eight diesel-powered test vehicles and three petrol vehicles, proposals for defining QNOx threshold values were developed using the generated data. The measurement results showed that a threshold value for distinguishing between intact and defect exhaust systems for diesel vehicles should be in the range of 2 to 3 gNOx/kg fuel and for petrol vehicles below 2 gNOx/kg fuel. Since the OBM system in EURO 7 vehicles must indicate a vehicle malfunction if NOx emissions exceed the limit value by more than 2.5 times, it makes sense to use this factor to derive the QNOx threshold value. For the threshold value, the EURO 7 NOx limit value, extended by measurement uncertainties and the high emitter factor, must therefore be divided by a representative consumption value in order to calculate a threshold for gNOx/kg fuel. Since the NOx limit value is the same for different passenger car segments, but the fuel consumption can vary greatly, the measured fuel consumption is corrected by the ratio of average fuel consumption per km to vehicle-specific fuel consumption per km. In future, this can be done automatically, as the type-approved CO2 value is stored in the environmental vehicle pass. The evaluation showed that a threshold value of 3 gNOx/kg fuel for diesel vehicles and 1.83 gNOx/kg fuel for petrol vehicles could be used as a criterion for a functioning exhaust after-treatment system. The threshold values would still need to be validated on a large number of EURO 7 emission standard vehicles. Finally, an assessment was carried out to determine the suitability of the method as a PTI instrument. The investigations showed that the QNOx method was able to distinguish between trips with a defective and a well-functioning exhaust aftertreatment system. Since the current drafts of the EURO 7 legislation provide for an in-vehicle calculation of QNOx values, a condition assessment of NOx aftertreatment systems as part of the emission test during the PTI would be easy to implement by reading the QNOx data via the OBD interface.