DE19605053A1 - On-Board-Diagnose-/OBD/-Verfahren und Vorrichtung im Mikromaßstab zur kontinuierlichen Messung des Schadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen - Google Patents
On-Board-Diagnose-/OBD/-Verfahren und Vorrichtung im Mikromaßstab zur kontinuierlichen Messung des Schadstoffaustrages aus KraftfahrzeugenInfo
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Description
Kraftfahrzeuge verbrennen Kohlenwasserstoffgemische, wobei u. a.
Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxid (NOx) und teil
oxidierte Kohlenwasserstoffe (CH-Verbindungen) als umweltrelevante
Substanzen entstehen. Ihre kontinuierliche Erfassung erfolgt heute
ausschließlich mit großen stationären Geräten in der Werkstatt
oder im Labor. Mobile Geräte für einen Vorort-Einsatz sind noch
nicht verfügbar. Grund für diese zögerliche Entwicklung sind die
rauhen Bedingungen im Verkehr und die sehr kurzen, im Zehntel
sekunden-Bereich liegenden T90-Zeiten. Es ist deshalb nur mit
schnellen Analysatoren möglich, die Beschleunigungs- und Verbrenn
ungsvorgänge im Verbrennungsmotor zu erfassen.
Das vorliegende Gebrauchsmuster besteht aus einem Gasanalysator im
Motorraum, der die Konzentration der o.g. vier wichtigsten Schad
stoffe des Abgasstroms in einem Bypaß mittels Infrarot-(IR)-Ab
sorption mißt. Dem Analysator ist zur Reinigung des Abgasstroms
ein auswechselbares Filter und zu seiner Trocknung ein Peltier
kühler vorgeschaltet.
Die Meßsignale werden im Mikrocontrollmodul (26), das im Aema
turenbrett des Fahrerraums installiert ist, gespeichert (s.Fig. 3).
Zur Abholung der Speicherwerte dient die MemoryCard (27), von der
sie in einen PC eingelesen werden. Hier erfolgt die Auswertung und
graphische Darstellung des Signalverlaufes aller Schadstoffkompo
nenten. Es ist möglich, noch weitere Daten zu erfassen, da der
Mikrocontroller über mehrere Analyseneingänge (serielle Schnitt
stelle (25)) verfügt.
Die gesammelten Werte könnten Grundlage einer emissionsgerechten
Steuerfestsetzung sein.
Im Kraftfahrzeug selbst, ob PKW oder LKW, werden gegenwärtig
Schadstoffe nicht ermittelt. Ihr Schadstoffausstoß wird bei den
AU-Untersuchungen im statischen Zustand erfaßt. Dabei treten zwei
Probleme auf:
- - die dynamische Belastung des Motors weicht während der Fahrt vom statischen Zustand auf dem Prüfstand ab,
- - die Messungen anläßlich der AU-Untersuchungen schließen Ver stellungen, d. h. verschlechterte Abgaswerte im darauffolgenden laufenden Straßenverkehr nicht aus.
Gegenwärtig ist weder die Verkehrpolizei noch das Umweltamt in der
Lage, derartige Messungen im Straßenverkehr vorzunehmen. Es fehlt
nicht nur an fahrtüchtigen Meßgeräten schlechthin, sondern vor
allem an tragbaren Vorrichtungen für eine in-situ-Kontrolle des
Schadstoffausstoßes.
Die Kfz-Steuer wird nach Hubraum berechnet. Da sich aber gleich
große, gleichartige Motoren zwischen den einzelnen AU-Überprü
fungen durchaus unterschiedlich verhalten können, ist diese Art
der Besteuerung nicht umweltgerecht. Das ließe sich aber ein
richten, wenn man die Steuer auf den gesamten absoluten Schad
stoffausstoß bezöge. Dazu fehlen allerdings die Aufzeichnungsge
räte, die eine Langzeiterfassung der Konzentrationen ermöglichen.
In einen Bypaß des Abgasrohres (1) wird die Gasentnahmesonde (2)
mit dem wärmebeständigen auswechselbaren Filter (3) eingebaut
(s. Fig. 1). Das Filter hält die groben Schmutzteile zurück. Das
Abgas wird durch den Luftkühler (4) und den Peltierkühler (7),
der eine ausreichende Trocknung des Gases bewirkt, mittels der
Gaspumpe (21) (s. Fig. 3) gesaugt. Die Kondensatpumpe (5)
(s. Fig. 1) entsorgt das Kondensat über den Ablauf (6). Das nunmehr
trockene und gereinigte Abgas wird durch die optische Küvette (8)
gesaugt.
Die Küvette (s. Fig. 2) enthält den (oder mehrere) Strahler (9),
der getaktet oder gechoppt einen gepulsten Wärmestrom zur pyro
elektrischen oder Halbleiter-Meßzelle (11) hin liefert. Die Takt
freguenzen werden dabei nur so schnell gewählt, daß die optimale
Eigenfrequenz der Zelle gewährleistet (Z.B. mit etwa f=1Hz) wird.
Durch Umschalten von mehreren Küvetten, die gleichzeitig beströmt,
aber nacheinander mit einer Zeitverzögerung von Z.B. 0,1 . . . 0,2
Sekunden getaktet werden, wird eine schnelle Reaktion mit T90-
Zeiten im 0,1 . . . 0,25 Sekunden-Bereich erreicht. Die Messung
erfolgt nach der Vergleichsmethode, d. h. es werden stets 2 IR-
empfindliche Meßzellen, z. B. 2 pyroelektrische Detektoren, in die
optische Küvette eingebaut. Die Meßzelle 1 (10) empfängt das zu
messende Gas, die Meßzelle 2 (14) mißt eine Vergleichsbande ohne
IR-Absorption. Der Einsatz von Mehrfachgasdetektoren mit zwei oder
mehreren Fühlern und dementsprechend Schmalbandfiltern ist
selbstverständlich ebenfalls möglich. Die Zu- und Ableitung des
Gases erfolgt über die Kupplungen (12) und (13) (s. Fig. 2).
Die getakten Spannungssignale aus dem IR-Analysator (8) werden
verstärkt und gemeinsam mit den Werten aus den Druckfühlern (15)
und (16), den Temperatursensoren (17) und (18), dem Feuchtefühler
(19) und dem Volumenstromsensor (20) zum Mikroprozessor (26)
geleitet (s. Fig. 3). Dieser wird in das Armaturenbrett des Kfz
eingebaut (s. Fig. 8). Er empfängt die gepulsten und verstärkten
Meßsignale aus dem IR-Analysator über geschützte, abgeschirmte
Kabel. Im µP (26) werden die Peakflächen der einzelnen Meßsignale
durch eine Quotientenbildung oder Division ausgewertet (s. Fig. 3).
Wird eine Grenzwertverletzung registriert, teilt das Gerät auf dem
Display dem Fahrer mit, daß eine Werkstatt aufzusuchen ist
(s. Fig. 4).
Die Daten werden nach ihrem zeitlichen Anfall gespeichert. Naht
eine Erschöpfung des Speichers, wird eine Warnmeldung abgegeben,
und die gesammelten Daten müssen mit der MemoryCard (27) ausge
lesen werden. Geht eine MemoryCard verloren, oder sie wird ver
nichtet, können die im Ringspeicher noch vorhandenen und nicht
überschriebenen Daten mit dem Laptop oder Notebook (34) über die
serielle Schnittstelle (25) ausgelesen werden (Fig. 3 und 5).
Die Daten der Memorycard (27) werden am LCD (22) des Gerätes und/
oder in einem PC durch ein Auslesegerät eingelesen, gespeichert
sowie tabellarisch und graphisch dargestellt (s. Fig. 6 und 7).
Sie werden dazu von einer Vertragswerkstatt oder dem TÜV zwecks
Abrechnung dem Finanzamt per Modem oder per Post zugeschickt. Den
Einbau des Erfassungsgerätes in das Armaturenbrett zeigt Fig. 8.
Die Kalibrierung des Gerätes erfolgt an den Tankstellen oder in
den Vertragswerkstätten. Dazu sind kleine Prüfgasdosen mit ent
sprechender Füllung verfügbar. Durch ein Schlauchnippel wird die
Kalibrierdose mit dem Analysator verbunden. Nach Eingabe des Prüf
gases in den Analysator erscheint auf dem Display (22) die Meldung
mit dem Soll- und Istwertvergleich. Diese Daten werden ebenfalls
gespeichert und können bei der Auswertung der Meßprotokolle be
rücksichtigt werden. Aber auch die Fahrer selbst können eine
Eigenkalibrierung vornehmen.
Für KFZ wäre es künftig sinnvoll, den Schadstoffausstoß kontinu
ierlich zu erfassen und aufzuzeichnen. Das könnte zu einer umwelt
gerechten Festsetzung der KFZ-Steuer beitragen. Ein derartiges
Gerät hätte jedoch eine ganze Kette von Veränderungen in der In
frastruktur sowohl der Mineralölwirtschaft als auch der Überwach
ungsorgane zur Folge. Die Tankstellen müßten Auslesestationen mit
Protokollauswerter und -drucker verfügen und außerdem in der Lage
sein, die in den KFZ eingebauten Geräte zu kalibrieren. Sie
könnten auch die zur Eigenüberwachung nötigen kleinen Kalibrier
dosen anbieten.
Dabei wird die CO2-Bande als Bezugsbande benutzt. Die anderen
Kanäle (z. B. für CH, CO und NO) werden aufgrund der CO2-Messung,
die ohne Kalibriergase, lediglich mit Umgebungsluft erfolgen kann,
bei der Einstellung der Empfindlichkeit proportional verstellt.
Die Auswertung der gesammelten Daten im PC liefert dann die
Grundlage der KFZ-Besteuerung. Die Vorteile sind naheliegend: Man
bekommt eine exakte Aufzeichnung über einen längeren geschlossenen
Zeitraum und nicht nur über punktuelle Belastungen während der
aller ein oder zwei Jahre fälligen AU-Überprüfung. Dabei wird das
reale Fahrverhalten und nicht lediglich die statische Belastung
auf dem Prüfstand ermittelt. Beide Fakten sind technisch und öko
logisch vorteilhafter als nur die ausschließliche Prüfung anläß
lich der AU.
Besonders vorteilhaft ist die Eigenschaft des Datenerfassungs
moduls im Armaturenbrett mit Warnfunktionen für den Fahrer. Wird
ein Grenzzustand erreicht, wird dieser während der Fahrt signali
siert. Wird die Warnung ignoriert, wird das Versäumnis laut
Markierung im Speicher, so auf der MemoryCard bei der nächsten
Auswertung offenkundig.
Die vorgestellte Vorrichtung kann zur umweltgerechten Besteuerung
von KFZ und zu einem umweltbewußten Fahrstil der Fahrer beitragen.
Bezugszeichenliste
Fig. 1 Gaslaufplan
1 Abgasrohr
2 Meßleitung
3 Filter
4 Luftkühler
5 Kondensatentsorgungspumpe
6 Kondensatablauf
7 Peltier-Kühler
8 IR-Mikroanalysator
1 Abgasrohr
2 Meßleitung
3 Filter
4 Luftkühler
5 Kondensatentsorgungspumpe
6 Kondensatablauf
7 Peltier-Kühler
8 IR-Mikroanalysator
Fig. 2 Angereihte IR-Analysenküvetten
9 Strahler
10 Küvette 1
11 pyroelektrischer Detektor
12 Gaszuführungskupplung
13 Gasabführungskupplung
14 Küvette 2
Fig. 3 Primäre (--) und sekundäre (-.-.-.) Kreise mit Anschluß an den Microcontroller
15 Vordruckfühler
16 Hinterdruckfühler
17 Sensor für Eingangstemperatur
18 Sensor für Ausgangstemperatur
19 Feuchtefühler
20 Sensor für Volumenstrom
21 Gaspumpe
22 LCD-Feld im Armaturenbrett
23 Tastenfeld im Armaturenbrett
24 Netzteil
25 serielle Schnittstelle
26 Microcontroller
27 Memorycard
Fig. 4 Mögliche Bildschirmmeldung
28 Taste für die Aktivierung des Bildschirmes/ Umschalten bei Abfrage
29 Kalibriertaste
30 Nullpunktabgleich
31 Empfindlichkeitsabgleich
32 Vorwärtsblättern in der Zeit
33 Rückwärtsblättern in der Zeit
Fig. 5 Anschluß eines mobilen Rechners an die serielle Schnittstelle
34 Laptop oder Notebook
Fig. 6 Darstellung eines Meßwertverlaufs im Zeitraster
Fig. 7 Darstellung des absoluten Schadstoffausstoßes als Balkendiagramm eines Zeitraumes
Fig. 8 Einbau des Datenerfassungsmoduls ins Armaturenbrett
35 Armaturenbrett
36 Gehäuse fürs Datenerfassungsmodul
37 Halterung für die Memorycard
Fig. 9 Zeitlich verschoben es Takten der IR-Strahler der einzelnen Kü vetten im Zehntel-Sekundenbereich für die Herabsetzung der T90- Zeit
9 Strahler
10 Küvette 1
11 pyroelektrischer Detektor
12 Gaszuführungskupplung
13 Gasabführungskupplung
14 Küvette 2
Fig. 3 Primäre (--) und sekundäre (-.-.-.) Kreise mit Anschluß an den Microcontroller
15 Vordruckfühler
16 Hinterdruckfühler
17 Sensor für Eingangstemperatur
18 Sensor für Ausgangstemperatur
19 Feuchtefühler
20 Sensor für Volumenstrom
21 Gaspumpe
22 LCD-Feld im Armaturenbrett
23 Tastenfeld im Armaturenbrett
24 Netzteil
25 serielle Schnittstelle
26 Microcontroller
27 Memorycard
Fig. 4 Mögliche Bildschirmmeldung
28 Taste für die Aktivierung des Bildschirmes/ Umschalten bei Abfrage
29 Kalibriertaste
30 Nullpunktabgleich
31 Empfindlichkeitsabgleich
32 Vorwärtsblättern in der Zeit
33 Rückwärtsblättern in der Zeit
Fig. 5 Anschluß eines mobilen Rechners an die serielle Schnittstelle
34 Laptop oder Notebook
Fig. 6 Darstellung eines Meßwertverlaufs im Zeitraster
Fig. 7 Darstellung des absoluten Schadstoffausstoßes als Balkendiagramm eines Zeitraumes
Fig. 8 Einbau des Datenerfassungsmoduls ins Armaturenbrett
35 Armaturenbrett
36 Gehäuse fürs Datenerfassungsmodul
37 Halterung für die Memorycard
Fig. 9 Zeitlich verschoben es Takten der IR-Strahler der einzelnen Kü vetten im Zehntel-Sekundenbereich für die Herabsetzung der T90- Zeit
Claims (6)
1. On-Board-Diagnose-(OBD)-Verfahren und Vorrichtung im Mikro
maßstab für die kontinuierliche Messung des Schadstoffaus
stoßes aus Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die
Messung aufgrund der infraroten Gasabsorption ohne bewegliche
Teile im optischen Weg, durch elektronisches Takten der
Strahlenquelle erfolgt, wobei das Meßgas vorm Eintritt in die
IR-Küvette gefiltert und gekühlt, und in jedem Abschnitt mit
Kontrollsensoren versehen wird, und die Meßdaten in einem µP
ausgewertet, und die Daten neben dem internen RAM auch auf
einer externen Memorycard gespeichert werden, mit dem
besonders vorteilheften Merkmal, daß mehrere parallel
angeordnete Küvetten benutzt werden, die vom Abgas
gleichzeitig beströmt, jedoch durch das zeitlich verschobene
Takten der Strahler nacheinander, periodisch so
durchgeschaltet werden, daß die dabei entstehende t90-Zeit
(trotz der Trägheit der einzelnen Meßzellen im Sekunden
bereich) im Zehntel-Sekundenbereich liegt und man die
schnellen Vorgänge im KFZ-Abgas erfassen kann.
2. OBD-Verfahren und Vorrichtung nach Hauptanspruchspunkt 1
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausstattung mit einer Viel
zahl von Sensoren nicht nur bei der Erkennung von Grenzwerten
für den Schadstoffausstoß, sondern auch beim Eingrenzen von
Fehlern, d. h. bei der Selbstdiagnose im KFZ, hilft, und
ein Warnsignal abgegeben wird, wenn die Erschöpfung der
Speicherkapazität des Mikrorechnermoduls heranrückt, wenn
Grenzwerte erreicht und überschritten werden, wenn eine
Kalibrierung oder andere Überwachungsarbeiten am System nötig
sind.
3. OBD-Verfahren und Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die
Kalibrierung im Nullpunkt mit gefilterter atmosphärischer
Luft ohne CO2-Gehalt und bei der Einstellung der
Empfindlichkeit mit ungefilterter atmosphärischer
Luft aufgrund der dort herrschenden konstanten CO2-Konzen
tration erfolgt, wobei die Kalibrierung der in der IR-
Küvetten vorhandenen anderer Kanäle ohne Prüfgase, lediglich
mit einer entsprechenden Anpassung durch proportionale
Verschiebung der Meßwerte der Kanäle für CH, CO und NO
an die Kalibrierwerte des Nullpunktes und der
Empfindlichkeit des CO2-Kanals erfolgt.
4. OBD-Verfahren und Vorrichtung nach Hauptanspruchspunkt 3
dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalibrierung in gewissen
Zeiträumen mit Prüfgasen in entsprechenden Institutionen,
wie beim TÜV, an Tankstellen oder in Werkstätten erfolgen
kann.
5. OBD-Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung
der gesammelten Meßdaten in Fachwerkstätten und an
Tankstellen mit einer Vorrichtung erfolgen kann, die die
Daten per Modem oder per Post zum TüV wegen
Grenzwertverletzungen und zum Finanzamt zwecks steuer
licher Abrechnung zuleitet.
6. OBD-Verfahren und Vorrichtung nach Hauptanspruchpunkt 5
dadurch gekennzeichnet, daß ein Auswerte- und Kommunikations
system im Fahrerraum, im Armaturenbrett mit visuellen Dar
stellungsmöglichkeiten, mit Bedienungselementen und Memory
card untergebracht wird.
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DE29504088U DE29504088U1 (de) | 1995-03-10 | 1995-03-10 | On-Board-Diagnose-/OBD/-Vorrichtung im Mikromaßstab zur kontinuierlichen Messung des Schadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen |
DE19605053A DE19605053C2 (de) | 1995-03-10 | 1996-02-12 | On-Board-Diagnose-/OBD/-Verfahren und Vorrichtung im Mikromaßstab zur kontinuierlichen Messung des Schadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen |
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DE19605053C2 DE19605053C2 (de) | 2001-11-15 |
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DE19605053A Expired - Fee Related DE19605053C2 (de) | 1995-03-10 | 1996-02-12 | On-Board-Diagnose-/OBD/-Verfahren und Vorrichtung im Mikromaßstab zur kontinuierlichen Messung des Schadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen |
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