Emissionsbestimmung

1.

EINLEITUNG

Diese Anlage beschreibt das Verfahren zur Bestimmung der momentanen Massen- und Partikelanzahlemissionen [g/s; #/s] welche für die nachfolgende Bewertung einer Prüffahrt und die Berechnung des endgültigen Emissionsergebnisses gemäß den Anlage 5 und 6 heranzuziehen sind.

2.

ZEICHEN

%—

Prozent

<—

kleiner als

#/s—

Anzahl pro Sekunde

α—

Molverhältnis für Wasserstoff (H/C)

β—

Molverhältnis für Kohlenstoff (C/C)

γ—

Molverhältnis für Schwefel (S/C)

δ—

Molverhältnis für Stickstoff (N/C)

Δt_t,i—

Wandlungszeit t des Analysators [s]

Δt_t,m—

Wandlungszeit t des Abgasmassendurchsatzmessers [s]

ε—

Molverhältnis für Sauerstoff (O/C)

r_e—

Abgasdichte

r_gas—

Dichte des Abgasbestandteils „Gas”

l—

Luftüberschussfaktor

l_i—

momentaner Luftüberschussfaktor

A/F_st—

Stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis [kg/kg]

°C—

Grad Celsius

c_CH4—

Methankonzentration

c_CO—

CO-Konzentration im trockenen Bezugszustand [%]

c_CO2—

CO₂-Konzentration im trockenen Bezugszustand [%]

c_dry—

Konzentration eines Schadstoffs im trockenen Bezugszustand in ppm oder Volumenprozent

c_gas,i—

momentane Konzentration des Abgasbestandteils „Gas” [ppm]

c_HCw—

HC-Konzentration im feuchten Bezugszustand [ppm]

c_HC(w/NMC)—

HC-Konzentration, wenn CH₄ oder C₂H₆ durch den NMC [ppmC₁] strömt

c_HC(w/oNMC)—

HC-Konzentration, wenn CH₄ oder C₂H₆ am NMC vorbeiströmt [ppmC₁]

c_i,c—

zeitkorrigierte Konzentration des Bestandteils i [ppm]

c_i,r—

Konzentration des Bestandteils i [ppm] im Abgas

c_NMHC—

Konzentration der Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe

c_wet—

Konzentration eines Schadstoffs im feuchten Bezugszustand in ppm oder Volumenprozent

E_E—

Ethanwirkungsgrad

E_M—

Methan-Wirkungsgrad

g—

Gramm

g/s—

Gramm pro Sekunde

H_a—

Feuchtigkeit der Ansaugluft [g Wasser je kg trockener Luft]

i—

Nummer der Messung

kg—

Kilogramm

kg/h—

Kilogramm pro Stunde

kg/s—

Kilogramm pro Sekunde

k_w—

Faktor der Umrechnung vom trockenen in den feuchten Bezugszustand

m—

Meter

m_gas,i—

Masse des Abgasbestandteils „Gas” [g/s]

q_maw,i—

momentaner Massendurchsatz der Ansaugluft (kg/s)

q_m,c—

zeitkorrigierter Abgasmassendurchsatz [kg/s]

q_mew,i—

momentaner Abgasmassendurchsatz [kg/s]

q_mf,i—

momentaner Kraftstoffmassendurchsatz [kg/s]

q_m,r—

Massendurchsatz des Rohabgases [kg/s]

r—

Kreuzkorrelationskoeffizient

r²—

Bestimmungskoeffizient

r_h—

Ansprechfaktor für Kohlenwasserstoffe

rpm—

Umdrehungen pro Minute

s—

Sekunde

u_gas—

u-Wert des Abgasbestandteils „Gas”

3.

ZEITKORREKTUR DER PARAMETER

Für die korrekte Berechnung der streckenabhängigen Emissionen sind die aufgezeichneten Konzentrationskurven der Bestandteile, der Abgasmassendurchsatz, die Fahrzeuggeschwindigkeit und andere Fahrzeugdaten einer Zeitkorrektur zu unterziehen. Zur Erleichterung der Korrektur sind Daten, die dem Zeitabgleich unterliegen, entweder in einem einzigen Aufzeichnungsgerät oder mit einem synchronisierten Zeitstempel gemäß Anlage 1 Nummer 5.1 aufzuzeichnen. Die Zeitkorrektur und der Zeitabgleich für Parameter ist in der unter den Nummern 3.1 bis 3.3 festgelegten Reihenfolge durchzuführen.

3.1.

Zeitkorrektur von Bestandteilkonzentrationen

Die aufgezeichneten Kurven aller Bestandteilkonzentrationen sind einer Zeitkorrektur zu unterziehen, indem eine inverse Verschiebung entsprechend der Wandlungszeit der jeweiligen Analysatoren vorgenommen wird. Die Wandlungszeit der Analysatoren ist nach Anlage 2 Nummer 4.4 zu bestimmen: c_i,c(t – Δt_t,i)=c_i,r(t) Dabei ist:

c_i,c

die zeitkorrigierte Konzentration des Bestandteils i als Funktion der Zeit t

c_i,r

die Rohkonzentration des Bestandteils i als Funktion der Zeit t

Δt_t,i

die Wandlungszeit t des Analysators zur Messung des Bestandteils i

3.2.

Zeitkorrektur des Abgasmassendurchsatzes

Der mit einem Abgasdurchsatzmesser gemessene Abgasmassendurchsatz ist einer Zeitkorrektur durch inverse Verschiebung entsprechend der Wandlungszeit des Abgasmassendurchsatzmessers zu unterziehen. Die Wandlungszeit des Massendurchsatzmessers ist nach Anlage 2 Nummer 4.4.9 zu bestimmen: q_m,c(t – Δt_t,m) = q_m,r(t) Dabei ist:

q_m,c

der zeitkorrigierte Abgasmassendurchsatz als Funktion der Zeit t

q_m,r

der Rohabgasmassendurchsatz als Funktion der Zeit t

Δt_t,m

die Wandlungszeit t des Abgasmassendurchsatzmessers

Wird der Abgasmassendurchsatz mithilfe von ECU-Daten oder mit einem Sensor bestimmt, ist eine zusätzliche Wandlungszeit zu berücksichtigen, welche durch Kreuzkorrelation des berechneten Abgasmassendurchsatzes mit dem gemessenen Abgasmassendurchsatz gemäß Anlage 3 Punkt 4 ermittelt wird.

3.3.

Zeitabgleich der Fahrzeugdaten

Für sonstige, von einem Sensor oder dem ECU stammende Daten ist ein Zeitabgleich durch Kreuzkorrelierung mit geeigneten Emissionsdaten (z. B. mit Bestandteilkonzentrationen) vorzunehmen.

3.3.1.

Geschwindigkeit des Fahrzeugs aus verschiedenen Quellen

Zum Zeitabgleich zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Abgasmassendurchsatz ist es zuerst notwendig, eine gültige Geschwindigkeitskurve festzulegen. Stammen die Daten zur Fahrzeuggeschwindigkeit aus verschiedenen Quellen (z. B. dem GPS, einem Sensor oder dem ECU), ist ein Zeitabgleich der Geschwindigkeitswerte durch Kreuzkorrelation vorzunehmen.

3.3.2.

Fahrzeuggeschwindigkeit und Abgasmassendurchsatz

Es ist ein Zeitabgleich zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Abgasmassendurchsatz durch Kreuzkorrelation des Abgasmassendurchsatzes und des Produkts aus Fahrzeuggeschwindigkeit und positiver Beschleunigung vorzunehmen.

3.3.3.

Weitere Signale

Bei Signalen, deren Wert sich langsam ändert und innerhalb einer engen Spanne liegt, beispielsweise bei der Umgebungstemperatur, kann der Zeitabgleich entfallen.

4.

KALTSTART

Der Kaltstartzeitraum umfasst die ersten 5 Minuten nach dem ersten Start des Verbrennungsmotors. Kann die Kühlmitteltemperatur verlässlich ermittelt werden, endet der Kaltstartzeitraum, sobald das Kühlmittel erstmalig eine Temperatur von 343 K (70 °C) erreicht, spätestens jedoch 5 min nach dem ersten Anlassen des Motors. Die Emissionen beim Kaltstart sind aufzuzeichnen.

5.

EMISSIONSMESSUNGEN BEI STEHENDEM MOTOR

Momentane Emissions- oder Abgasdurchsatzwerte, die bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor gemessen wurden, sind aufzuzeichnen. Anschließend sind die aufgezeichneten Werte in einem gesonderten Schritt im Rahmen der Nachverarbeitung der Daten auf Null zu setzen. Der Verbrennungsmotor gilt als ausgeschaltet, wenn zwei der folgenden Kriterien erfüllt sind: Die aufgezeichnete Drehzahl beträgt < 50 rpm, der gemessene Abgasmassendurchsatz beträgt < 3 kg/h, der gemessene Abgasmassendurchsatz fällt im Leerlauf auf < 15 % des Abgasmassendurchsatzes unter stationären Bedingungen.

6.

KONSISTENZPRÜFUNG DER DATEN ZUR HÖHENLAGE DES FAHRZEUGS

Besteht der wohlbegründete Verdacht, dass eine Fahrt oberhalb der zulässigen Höhe gemäß Anhang IIIA Nummer 5.2 durchgeführt wurde, oder wurde die Höhe nur mit einem GPS gemessen, sind die GPS-Höhendaten auf Konsistenz zu überprüfen und wenn nötig zu berichtigen. Die Konsistenz der Daten ist durch Vergleich von Breiten- und Längengrad- sowie von Höhendaten des GPS zu überprüfen, wobei die Höhe durch ein digitales Geländemodell oder eine topografische Karte im geeigneten Maßstab anzuzeigen ist. Messungen, die von der Höhenangabe der topografischen Karte um mehr als 40 m abweichen, sind manuell zu korrigieren und zu markieren.

7.

KONSISTENZPRÜFUNG DER GPS-DATEN ZUR FAHRZEUGGESCHWINDIGKEIT

Die vom GPS bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit ist auf Konsistenz zu prüfen, indem die Gesamtfahrstrecke berechnet und mit Bezugswerten verglichen wird, welche entweder von einem Sensor, dem validierten ECU oder auch von einem digitalen Straßennetz oder einer topographischen Karte stammen. Offensichtliche Fehler in den GPS-Daten sind vor der Konsistenzprüfung beispielsweise mithilfe eines Koppelnavigationssensors obligatorisch zu berichtigen. Die ursprüngliche, unkorrigierte Datei ist aufzubewahren; korrigierte Daten sind zu kennzeichnen. Die berichtigten Daten dürfen sich nicht über einen ununterbrochenen Zeitraum von mehr als 120 s oder eine Gesamtdauer von mehr als 300 s erstrecken. Die mithilfe der korrigierten GPS-Daten berechnete Gesamtstrecke darf von den Bezugswerten um nicht mehr als 4 % abweichen. Wenn die GPS-Daten diese Anforderungen nicht erfüllen und keine andere verlässliche Quelle für Daten zur Fahrzeuggeschwindigkeit zur Verfügung steht, sind die Prüfungsergebnisse für ungültig zu erklären.

8.

KORREKTUR DER EMISSIONEN

8.1.

Umrechnung vom trockenen in den feuchten Bezugszustand

Werden die Emissionen im trockenen Bezugszustand gemessen, sind die gemessenen Konzentrationen anhand folgender Formel in den feuchten Bezugszustand umzurechnen: c_wet = k_w· c_dry Dabei ist:

c_wet

die Konzentration eines Schadstoffs im feuchten Bezugszustand in ppm oder Volumenprozent

c_dry

die Konzentration eines Schadstoffs im trockenen Bezugszustand in ppm oder Volumenprozent

k_w

der Faktor der Umrechnung vom trockenen in den feuchten Bezugszustand

Die Berechnung von k_w erfolgt nach folgender Formel:kw11α0,005cCO2cCO1,008 Dabei gilt:kw11,608Ha10001,608Ha Dabei gilt:

H_a

die Feuchtigkeit der Ansaugluft [g Wasser je kg trockener Luft]

c_CO2

die CO₂-Konzentration im trockenen Bezugszustand [ %]

c_CO

die CO-Konzentration im trockenen Bezugszustand [ %]

α

das Molverhältnis für Wasserstoff

8.2.

Korrektur der NO_X-Emissionen um Umgebungsfeuchte und -temperatur

Bei den NO_X-Emissionen ist keine Korrektur um Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit vorzunehmen.

9.

BESTIMMUNG DER MOMENTANEN GASFÖRMIGEN ABGASBESTANDTEILE

9.1.

Einleitung

Die Bestandteile im Rohabgas sind mit den in Anlage 2 beschriebenen Mess- und Probenahmeanalysatoren zu messen. Die Rohkonzentrationen der maßgeblichen Bestandteile sind gemäß Anlage 1 zu messen. Die Daten sind einer Zeitkorrektur zu unterziehen und gemäß Punkt 3 abzugleichen.

9.2.

Berechnung der NMHC und CH₄-Konzentration

Bei der Methanmessung mit einem NMC-FID hängt die NMHC-Berechnung vom Kalibriergas/von der Methode zur Nullpunkt-/Messbereichskalibrierung ab. Bei Verwendung eines FID für THC-Messungen ohne NMC ist dieser mit Propan/Luft oder Propan/N₂ auf die übliche Weise zu kalibrieren. Für die Kalibrierung des einem NMC nachgeschalteten FID sind folgende Verfahren zulässig:

a)

Das Kalibriergas aus Propan und Luft wird am NMHC vorbeigeleitet

b)

Das Kalibriergas aus Methan und Luft wird durch den NMC geleitet

Es wird nachdrücklich empfohlen, den Methan-FID mit Kalibriergas aus Methan und Luft zu kalibrieren, das durch den NMC geleitet wird. In Verfahren a sind die Konzentrationen von CH₄ und NMHC folgendermaßen zu berechnen:cCH4cHCwoNMC1EMcHCwNMCEEEMcNMHCcHCwNMCcHCwoNMC1EErhEEEM In Verfahren b sind die Konzentrationen von CH₄ und NMHC folgendermaßen zu berechnen:cHC4cHCwNMCrh1EMcHCwoNMC1EErhEEEMcNMHCcHCwoNMC1EMcHCwNMCrh1EMEEEM Dabei ist:

c_HC(w/oNMC)

die HC-Konzentration bei Vorbeileitung des CH₄ oder C₂H₆ am NHC [ppmC₁]

c_HC(w/NMC)

die HC-Konzentration bei Hindurchleitung des CH₄ oder C₂H₆ durch den NNC [ppmC₁]

r_h

der gemäß Anlage 2 Nummer 4.3.3 Buchstabe b bestimmte Ansprechfaktor bei Kohlenwasserstoffen

E_M

die Umwandlungseffizienz bei Methan gemäß Anlage 2 Nummer 4.3.4 Buchstabe a

E_E

die Umwandlungseffizienz bei Ethan gemäß Anlage 2 Nummer 4.3.4 Buchstabe b

Wird der Methan-FID durch den Cutter kalibriert (Verfahren b), beträgt die gemäß Anlage 2 Nummer 4.3.4 Buchstabe a ermittelte Umwandlungseffizienz bei Methan null. Die Dichte, die für die Berechnung der NMHC-Masse herangezogen wird, muss gleich der Dichte der Gesamtkohlenwasserstoffe bei 273,15 K und bei 101,325 kPa sein und hängt vom Kraftstoff ab.

10.

BESTIMMUNG DES ABGASMASSENDURCHSATZ

10.1.

Einleitung

Für die Berechnung der momentanen Massenemissionen nach den Nummern 11 und 12 ist die Bestimmung des Abgasmassendurchsatzes erforderlich. Der Abgasmassendurchsatz ist durch eines der direkten Messverfahren nach Anlage 2 Nummer 7.2 zu bestimmen. Alternativ dazu ist die Berechnung des Abgasmassendurchsatzes nach den Nummern 10.2 bis 10.4 zulässig.

10.2.

Berechnungsverfahren auf Grundlage des Luftmassendurchsatzes und des Kraftstoffmassendurchsatzes

Der momentane Abgasmassendurchsatz kann aus dem Luftmassendurchsatz und dem Kraftstoffmassendurchsatz folgendermaßen berechnet werden: q_mew,i = q_maw,i + q_mf,i Dabei ist:

q_mew,i

der momentane Abgasmassendurchsatz [kg/s]

q_maw,i

der momentane Massendurchsatz der Ansaugluft (kg/s)

q_mf,i

der momentane Kraftstoffmassendurchsatz [kg/s]

Werden der Luftmassendurchsatz und der Kraftstoffmassendurchsatz oder der Abgasmassendurchsatz mithilfe von Aufzeichnungen des ECU ermittelt, muss der berechnete momentane Abgasmassendurchsatz die in Anlage 2 Nummer 3 für den Abgasmassendurchsatz festgelegten Linearitätsanforderungen sowie die Validierungsanforderungen nach Anlage 3 Nummer 4.3 erfüllen.

10.3.

Berechnungsverfahren auf der Grundlage des Luftmassendurchsatzes und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses

Der momentane Abgasmassendurchsatz kann aus dem Luftmassendurchsatz und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis folgendermaßen berechnet werden:qmew,iqmaw,i11AFstλi Dabei gilt:AFst138,01α4ε2γ12,0111,008α15,9994ε14,0067δ32,0675γλi100cCO1042cHCw104α412cCO1043,5cCO21cCO1043,5cCO2ε2δ2cCO2cCO1044,7641α4ε2γcCO2cCO104cHCw104 Dabei ist:

q_maw,i

der momentane Massendurchsatz der Ansaugluft (kg/s)

A/F_st

das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis [kg/kg]

l_i

das momentane Luftüberschussverhältnis,

c_CO2

die CO₂-Konzentration im trockenen Bezugszustand [%]

c_CO

die CO-Konzentration im trockenen Bezugszustand [ppm]

c_HCw

die HC-Konzentration im feuchten Bezugszustand [ppm]

α

das Molverhältnis für Wasserstoff (H/C)

β

das Molverhältnis für Kohlenstoff (C/C)

γ

das Molverhältnis für Schwefel (S/C)

δ

das Molverhältnis für Stickstoff (N/C)

ε

das Molverhältnis für Sauerstoff (O/C)

Die Koeffizienten beziehen sich bei Kraftstoffen auf Kohlenstoffbasis auf einen Kraftstoff C_β H_α O_ε N_δ S_γ mit β = 1. Die Konzentration der HC-Emissionen ist in der Regel gering und kann bei der Berechnung von l_i weggelassen werden. Werden der Luftmassendurchsatz und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mithilfe von Aufzeichnungen des ECU ermittelt, muss der berechnete momentane Abgasmassendurchsatz die in Anlage 2 Nummer 3 für den Abgasmassendurchsatz festgelegten Linearitätsanforderungen sowie die Validierungsanforderungen nach Anlage 3 Nummer 4.3 erfüllen.

10.4.

Berechnungsverfahren auf der Grundlage des Kraftstoffmassendurchsatzes und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses

Der momentane Abgasmassendurchsatz kann aus dem Kraftstoffdurchsatz und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (berechnet mit A/F_st und l_i gemäß Nummer 10.3) wie folgt errechnet werden: q_mew,i = q_mf,i × (1 + A/F_st × λ_i) Der berechnete momentane Abgasmassendurchsatz muss die in Anlage 2 Nummer 3 für den Abgasmassendurchsatz festgelegten Linearitätsanforderungen sowie die Validierungsanforderungen nach Anlage 3 Nummer 4.3 erfüllen.

11.

BERECHNUNG DER MOMENTANEN MASSEEMISSIONEN

Die momentanen Massenemissionen [g/s] werden durch Multiplikation der momentanen Konzentration des jeweiligen Schadstoffs [ppm] mit dem momentanen Abgasmassendurchsatz [kg/s] — bei beiden Werten ist eine Berichtigung und ein Abgleich für die Wandlungszeit vorzunehmen — und dem jeweiligen u-Wert nach Tabelle 1 ermittelt. Wird im trockenen Bezugszustand gemessen, so sind die momentanen Konzentrationswerte der Bestandteile nach Absatz 8.1 in den feuchten Bezugszustand umzurechnen, ehe sie für weitere Berechnungen verwendet werden. Gegebenenfalls sind in sämtlichen nachfolgenden Datenbewertungen negative momentane Emissionswerte zu verwenden. Alle signifikanten Stellen der Zwischenergebnisse sind bei der Berechnung der momentanen Emissionen zu berücksichtigen. Hierzu ist folgende Formel anzuwenden: m_gas,i = u_gas · c_gas,i · q_mew,i Dabei ist:

m_gas,i

die Masse des Abgasbestandteils „Gas” [g/s]

u_gas

das Verhältnis zwischen der Dichte des Abgasbestandteils „Gas” und der Gesamtdichte des Abgases gemäß Tabelle 1

c_gas,i

die gemessene Konzentration des Abgasbestandteils „Gas” im Abgas [ppm]

q_mew,i

der gemessene Abgasmassendurchsatz [kg/s]

Gas

der jeweilige Bestandteil

i

die Nummer der Messung

Tabelle 1

u-Werte des Rohabgases als Darstellung des Verhältnisses zwischen der Dichte des Abgasbestandteils oder Schadstoffs i [kg/m³] und der Dichte des Abgases [kg/m³]

Kraftstoff	ρe [kg/m3]	Bestandteil oder Schadstoff i
		NOx	CO	HC	CO2	O2	CH4
		ρgas [kg/m3]
		2,053	1,250	(1)	1,9636	1,4277	0,716
		ugas(2)(6)
Diesel (B7)	1,2943	0,001586	0,000966	0,000482	0,001517	0,001103	0,000553
Ethanol (ED95)	1,2768	0,001609	0,000980	0,000780	0,001539	0,001119	0,000561
CNG(3)	1,2661	0,001621	0,000987	0,000528(4)	0,001551	0,001128	0,000565
Propan	1,2805	0,001603	0,000976	0,000512	0,001533	0,001115	0,000559
Butan	1,2832	0,001600	0,000974	0,000505	0,001530	0,001113	0,000558
LPG(5)	1,2811	0,001602	0,000976	0,000510	0,001533	0,001115	0,000559
Benzin (E10)	1,2931	0,001587	0,000966	0,000499	0,001518	0,001104	0,000553
Ethanol (E85)	1,2797	0,001604	0,000977	0,000730	0,001534	0,001116	0,000559

12.

BERECHNUNG DER MOMENTANEN PARTIKELZAHLEMISSIONEN

In diesem Abschnitt werden Anforderungen für die Berechnung der momentanen Partikelzahlemissionen festgelegt, wenn deren Messung verpflichtend vorgeschrieben ist.

13.

DATENAUFZEICHNUNG UND -AUSTAUSCH

Der Datentauschtausch zwischen den Messsystemen und der Datenauswertungssoftware erfolgt über eine standardisierte Berichtsdatei gemäß Anlage 8 Nummer 2. Die Vorbearbeitung der Daten (z. B. Zeitkorrektur nach Nummer 3 oder Korrektur des GPS-Signals für die Fahrzeuggeschwindigkeit nach Nummer 7) muss mit der Steuerungssoftware des Messsystems erfolgen und vor Erzeugung der Datenberichtsdatei abgeschlossen sein. Wenn die Daten vor der Aufnahme in die Datenberichtsdatei berichtigt oder verarbeitet werden, müssen die originalen Rohdaten zwecks Qualitätssicherung und Kontrolle aufbewahrt werden. Das Runden von Zwischenwerten ist nicht zulässig. Die Zwischenwerte müssen stattdessen in die Berechnung der vom Analysator, dem Durchsatzmessgerät, dem Sensor oder dem ECU gemeldeten momentanen Emissionen [g/s, #/s] einfließen.