DE19743954A1 - Arrangement for analyzing motor vehicle exhaust gas - Google Patents

Arrangement for analyzing motor vehicle exhaust gas

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    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Abstract

the arrangement performs infrared gas absorption measurement using a stainless steel cuvette with a relatively large optical path length carrying the exhaust gas flow. Light from a special infrared source consisting of a transparent piston is passed along the cuvette to a measurement and reference channel detector which forms a measurement value detection quotient

Description

Das hier beschriebene Verfahren zur Schadstoffmessung im Kraftfahrzeug während der Kaltstartphase ist eine Erweiterung des Antrages auf Erteilung des Patentes "Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen", Az. 197 36 864.6 des Deutschen Patentamtes.The method described here for measuring pollutants in the motor vehicle during Cold start phase is an extension of the application for the patent "device for Analysis of exhaust gas from motor vehicles ", Az. 197 36 864.6 of the German Patent Office.

1. Problemdarstellung1. Presentation of the problem

In den ersten Sekunden des Kraftfahrzeugbetriebes, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, ist die Schadstoffminderung des Abgases durch den Katalysator, die sogenannte Konvertierungsrate, noch sehr niedrig. Da der Motor in der Kaltstartphase etwa 70% seiner gesamten Emissionen produziert, wäre jedoch eine optimale Schadstoffminderung gerade in dieser Phase wünschenswert. Ganz besonders muß das Konvertierungsverhalten für die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) verbessert werden.In the first few seconds of motor vehicle operation when the catalytic converter is its Has not yet reached operating temperature, the exhaust gas is reduced by the Catalyst, the so-called conversion rate, is still very low. Since the engine in the Cold start phase would produce around 70% of its total emissions, but would be an optimal one Pollutant reduction desirable in this phase. It has to be especially Conversion behavior for unburned hydrocarbons (HC) can be improved.

Im Hinblick auf die strengen US-Grenzwerte werden Maßnahmen notwendig, um eine hohe Konvertierungsrate auch beim Kaltstart zu gewährleisten. Die von der US-Regierung favorisierten Schlagwörter für die einzelnen Stufen zur Einführung abgasarmer Fahrzeuge sind Transitional- Low-Emission Vehicles TLEV, Low-Emission Vehicles LEV und Ultra-Low-Emission Vehicles ULEV.In view of the strict US limits, measures are necessary to achieve a high level To ensure conversion rate even on cold start. Those favored by the U.S. government Keywords for the individual stages for the introduction of low-emission vehicles are transitional Low-emission vehicles TLEV, low-emission vehicles LEV and ultra-low-emission vehicles ULEV.

Eine Möglichkeit zur Schadstoffreduzierung ist die Integration einer elektrischen Heizung im Katalysator, die während der Start- und Warmlaufphase den Katalysator beheizt. Bei Metallträger- Katalysatoren wird der Metallkörper als elektrischer Widerstand zum Heizen verwendet. Auch bei einem Katalysator mit Keramikträger ist die Beheizung durch Vorschalten eines elektrischen Heizkörpers möglich.One option for reducing pollutants is the integration of an electric heater in the Catalytic converter that heats the catalytic converter during the start-up and warm-up phase. With metal support For catalysts, the metal body is used as an electrical resistor for heating. Also at A catalyst with a ceramic carrier is the heating by an electrical one Radiator possible.

Bei einer anderen Technik wird Kraftstoff in den Katalysator gespritzt und verbrannt. Bei dieser Methode erreichen der Katalysator und die Lambda-Sonde nach wenigen Sekunden die Betriebstemperatur.Another technique injects fuel into the catalytic converter and burns it. At this The catalyst and the lambda probe reach the method after a few seconds Operating temperatur.

Eine bessere Möglichkeit ist die Adsorption von HC während der ersten Sekunden nach dem Start (HC-Falle). Die Desorption erfolgt dann, wenn der Katalysator eine Temperatur erreicht hat, bei der eine zufriedenstellende Konvertierung gesichert ist. Untersuchungen zeigen, daß mit diesem Verfahren eine Verringerung der HC-Emission von bis zu 50% möglich ist. A better option is to adsorb HC during the first few seconds after starting (HC trap). Desorption takes place when the catalyst has reached a temperature at which a satisfactory conversion is assured. Studies show that with this Procedure a reduction in HC emissions of up to 50% is possible.  

2. Stand der Technik2. State of the art

Die Beheizung des Katalysators wird in /1/, /2/ und /3/ beschrieben.The heating of the catalyst is described in / 1 /, / 2 / and / 3 /.

Die Einspritzung und die Verbrennung von Kraftstoff werden in /4/ behandelt.The injection and combustion of fuel are dealt with in / 4 /.

Mit der Minderung der Kohlenwasserstoffkonzentration durch HC-Fallen befassen sich die Quellen /5/ und /6/.The sources are concerned with reducing the hydrocarbon concentration through HC traps / 5 / and / 6 /.

Aus diesen Literaturquellen ist zu entnehmen, daß momentan ein Meßgerät fehlt, das in der Lage ist, die tatsächliche Emission in der Kaltstartphase zu erfassen, um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen und evtl. Fehler in der Technik zu signalisieren. Der Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung ist ein geeignetes Meßsystem, das die Emission in der Kaltstartphase erfassen und die Steuerung der Emissions-Minderungsanlage vornehmen kann.From these literature sources it can be seen that there is currently no measuring device capable of is to record the actual emission in the cold start phase to ensure optimal operation enable and signal any errors in the technology. The subject of the present Patent application is a suitable measuring system, which record the emission in the cold start phase and can control the emission reduction system.

2. Beschreibung des Patentgegenstandes2. Description of the subject of the patent 2.1. Eigenschaften des Kaltstart-Meßsystems2.1. Properties of the cold start measuring system

Die Messung der Kaltstartemission wird mit Hilfe eines Meßsystems vorgenommen, das nach dem Prinzip des NDIR-Photometers arbeitet. Dieses Meßsystem besteht im wesentlichen aus einem Strahler, einem Empfänger und einer optischen Küvette. Solche Meßsysteme sind weltweit gut bekannt /7-22/.The measurement of the cold start emission is carried out with the aid of a measuring system which, according to the Principle of the NDIR photometer works. This measuring system consists essentially of one Emitter, a receiver and an optical cuvette. Such measuring systems are good worldwide known / 7-22 /.

Als eine besondere Neuigkeit ist bei der vorliegenden Vorrichtung zu betrachten, daß die optische Küvette nicht wie üblich aus einem Rohr mit einer möglichst gut reflektierenden Innenwandung besteht, sondern aus einem porösen Material. Dieses Material kann z. B. Sinterstahl oder Sinterbronze oder ein anderes gesintertes Material sein, das es ermöglicht, das zu messende Gas durch Diffusion in das Küvettenrohr zu führen, s. Fig. 1. Herkömmliche Gerate verfügen über ein nicht-poröses Küvettenrohr, in das das zu messende Gas durch eine externe Pumpe geführt wird. Dadurch benötigen diese Geräte eine aufwendige und somit kostspielige Gasaufbereitung, bestehend aus einer Tropfenabscheidevorrichtung, einer Pumpe, einem Druckminderer und einem Strömungsmesser /23/.A particular novelty in the present device is that the optical cuvette does not consist, as usual, of a tube with the best possible reflective inner wall, but of a porous material. This material can e.g. B. sintered steel or sintered bronze or another sintered material that allows the gas to be measured to be guided by diffusion into the cuvette tube, see. Fig. 1. Conventional devices have a non-porous cuvette tube into which the gas to be measured is fed by an external pump. As a result, these devices require complex and therefore costly gas treatment, consisting of a droplet separator, a pump, a pressure reducer and a flow meter / 23 /.

Die Verwendung einer porösen Küvette aus Sintermaterial ist hingegen in der Kfz-Technik besonders vorteilhaft, da bei dieser Anordnung die Schmutz-, vor allem aber die Rußpartikel, an der als Filter wirkenden Siebschicht des Sintermaterials zurückgehalten werden. Das Entfernen der Ruß- und Schmutzpartikel könnte in gewissen Zeitabständen durch Rückspülen mit Druckluft erfolgen, s. Fig. 2. Das Rückspülen könnte z. B. mit Hilfe einer an den Tankstellen benutzten Druckluftvorrichtung für das Aufblasen der Reifen vorgenommen werden.The use of a porous cuvette made of sintered material, on the other hand, is particularly advantageous in automotive engineering, since with this arrangement the dirt particles, but above all the soot particles, are retained on the sieve layer of the sintered material which acts as a filter. The soot and dirt particles could be removed at certain intervals by backwashing with compressed air, see. Fig. 2. The backwashing could e.g. B. with the help of a compressed air device used at the filling stations for inflating the tires.

2.2 Konstruktive Merkmale des Kaltstart-Meßsystems2.2 Design features of the cold start measuring system

In Fig. 1 sind die optischen Komponenten des Meßsystems dargestellt. Diese sind: Das poröse Küvettenrohr aus Sintermaterial (1), der Strahler (2) mit Reflektor (3) und der Detektor (4) mit einer Linse (5) zum bündeln der infraroten Strahlung.In Fig. 1, the optical components of the measuring system are shown. These are: the porous cuvette tube made of sintered material ( 1 ), the emitter ( 2 ) with reflector ( 3 ) and the detector ( 4 ) with a lens ( 5 ) for focusing the infrared radiation.

Die Fig. 2 soll das Rückspülen der Rußpartikel (9) mit Druckluft (8) erläutern. Die von außen kommende Druckluftleitung wird mit ihrer Anschlußkupplung (6) an den von außen am Kraftfahrzeug zugänglichen Einlaßstutzen (7) angekoppelt. Die Druckluft (8) entfernt dabei die an der Außenseite des Küvettenrohres (1) haftenden Rußpartikel (9). FIG. 2 is intended to illustrate the backwashing of the soot particles (9) with compressed air (8). The compressed air line coming from the outside is coupled with its connecting coupling ( 6 ) to the inlet connection ( 7 ) accessible from the outside of the motor vehicle. The compressed air ( 8 ) removes the soot particles ( 9 ) adhering to the outside of the cuvette tube ( 1 ).

2.3. Einschaltung der Vorrichtung in der Kaltstartphase2.3. Switching on the device in the cold start phase

Wie vorhergehend beschrieben, gibt es verschiedene Möglichkeiten einer Schadstoffminderung während der Kaltstartphase.As described above, there are various ways of reducing pollutants during the cold start phase.

Die einfachste Möglichkeit ist das Vorheizen des Katalysators vor dem Start. Erfolgt das Vorheizen des Katalysators elektrisch, so wird, bedingt durch die Masse und thermische Trägheit des Katalysators, der Akkumulator des Kraftfahrzeuges stark beansprucht. An kalten Wintertagen und bei nicht ganz neuen, bzw. nicht vollgeladenen Akkumulatoren entsteht die Situation, daß der Wagen nach dem Vorheizen nicht mehr gestartet werden kann.The easiest way is to preheat the catalyst before starting. The preheating takes place of the catalyst electrically, it is, due to the mass and thermal inertia of the Catalyst, the battery of the motor vehicle is heavily used. On cold winter days and in the case of not completely new or not fully charged accumulators, the situation arises that the Trolley can no longer be started after preheating.

Eine bessere Möglichkeit zur Schadstoffminderung ist der Einsatz von HC-Fallen. Um jedoch eine hohe Effizienz einer solchen HC-Falle zu ermöglichen, ist es unbedingt notwendig, die Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas zu messen.A better way to reduce pollutants is to use HC traps. However, around one To enable high efficiency of such an HC trap, it is imperative that Measure the hydrocarbon concentration in the exhaust gas.

Da das Kaltstart-Meßsystem nur einen geringen Energiebedarf hat, kann es bereits vor der Kaltstartphase in Betrieb genommen werden. Dazu scheinen z. B. ein Sitzbelegungssensor (10) oder andere Sensoren im Kraftfahrzeug geeignet zu sein, um bereits beim Einsteigen in das Kraftfahrzeug das Kaltstart-Meßsystem zu aktivieren, siehe Fig. 3. Gleichzeitig könnte auch die HC-Falle eingeschaltet werden. Since the cold start measuring system has only a low energy requirement, it can be put into operation before the cold start phase. For this seem z. B. a seat occupancy sensor ( 10 ) or other sensors in the motor vehicle to be suitable for activating the cold start measuring system when entering the motor vehicle, see FIG. 3. At the same time, the HC trap could also be switched on.

3. Einbau des Kaltstart-Meßsystems ins Kraftfahrzeug3. Installation of the cold start measuring system in the motor vehicle

Eine besonders günstige Möglichkeit für die Unterbringung des Kaltstart-Meßsystems ist ein zylinderförmiger Behälter (12) als Zwischenstück des Auspuffrohres (11), ähnlich zu einem Katalysator oder einem Schalldämpfer. Mögliche Ausbildungsformen zeigt die Fig. 4. In diesem, an den letzten Schalldämpferkasten angeschlossenen, Zylinder befindet sich die aus dem gesinterten Rohrmaterial bestehende optische Küvette sowie die elektronische Schaltung für die Meßdatenerfassung.A particularly favorable option for accommodating the cold start measuring system is a cylindrical container ( 12 ) as an intermediate piece of the exhaust pipe ( 11 ), similar to a catalytic converter or a silencer. Fig. 4 shows possible forms of training . In this cylinder, which is connected to the last silencer box, there is the optical cuvette consisting of the sintered tube material and the electronic circuit for the measurement data acquisition.

Da das Kaltstart-Meßsystem als letztes Element an das Abgasbehandlungssystem des Kraftfahrzeuges angeschlossen wird, ist das zu messende Gas selbst nach längeren Fahrten, nach einer Fahrt mit höherer Geschwindigkeit oder an warmen Sommertagen bereits so kühl, daß die optische Vorrichtung ohne besondere Schutzmaßnahmen direkt im Gasweg installiert werden kann. Since the cold start measuring system as the last element to the exhaust gas treatment system of the Connected to the vehicle, the gas to be measured is even after long journeys, after a drive at higher speed or on warm summer days it is so cool that the optical device can be installed directly in the gas path without special protective measures can.  

Literaturliterature

/1/ Härkönen M., Malvile P.: Optimisation of Metallic TWC-Behaviour and Precious Metal Costs, SAE 920395.
/2/ Kaiser W. F., Maus W., Swars H., Brück R.: Optimisation of an Electrically-Heated Catalytic Converter System-Calculations and Application, SAE 930384, 1993.
/3/ Hellmann K. H., Piotrowski G. K., Schaefer R. M.: Start Catalyst Systems Employing Heated Catalyst Technology for Control of Emissions from Methanol-Fueled Vehicles, SAE 930382, 1993.
/4/ Ma T., Collings N., Hands T.: Exhaust Gas Ignition (EGI)- A New Concept for Rapid Light-Off of Automotiv Exhaust Catalytic Converters, SAE 920400.
/5/ Hochmuth J. K., Burk P. L., Tolentino C., Mignano M. J.: Hydrocarbon Traps for Controlling Cold-Start Emission, SAE 930739, 1993.
/6/ Minami T., Nagase T.: Exhaust Gas Purification Device in Variable Combination of Absorbent and Catalyst According to Gas Temperature. EP 424966, 1990.
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Figuren mit AbbildungenFigures with illustrations Fig. 1 Komponenten des Meßsystems Fig. 1 components of the measuring system

11

Küvettenrohr aus Sintermaterial
Cell tube made of sintered material

22nd

Strahler
Spotlights

33rd

Reflektor
reflector

44th

Detektor
detector

55

Linselens

Fig.Fig.

2 Rückspülung mit Druckluft2 Backwashing with compressed air

6 Anschlußkupplung
7 Einlaßstutzen
8 Druckluft
9 Rußpartikel
6 connection coupling
7 inlet connection
8 compressed air
9 soot particles

Fig. 3 Sensoren im Kraftfahrzeug Fig. 3 sensors in the motor vehicle

1010th

SitzbelegungssensorSeat occupancy sensor

Fig. 4 Einbaumöglichkeiten im Abgassystem Fig. 4 installation options in the exhaust system

1111

Auspuffrohr
Exhaust pipe

1212th

Zylinderförmiger BehälterCylindrical container

Fig. 5 Kaltstartmessung Fig. 5 cold start measurement

Claims (4)

1. Kaltstartmeßsystem, vorrangig für die Messung der Kaltstartemission und für die Steuerung der zur Minderung dieser Emission vorhandenen Geräte geeignet, dadurch gekennzeichnet, daß das System vor dem Starten des Kraftfahrzeuges durch das Signal anderer Sensoren, wie z. B. eines Sitzbelegungssensors, in Betrieb genommen wird und somit die Möglichkeit hat, bereits innerhalb der darauffolgenden Sekunden seinen Meßbetrieb zu stabilisieren und die Kaltstartemission lückenlos, vom Anfang an, zu erfassen, sowie die zur Minderung der Emission notwendigen Einrichtungen zu steuern.1. Cold start measuring system, primarily suitable for measuring the cold start emission and for controlling the devices available to reduce this emission, characterized in that the system before starting the motor vehicle by the signal from other sensors, such as. B. a seat occupancy sensor, is put into operation and thus has the possibility to stabilize its measuring operation within the following seconds and to continuously record the cold start emission, as well as to control the devices necessary to reduce the emission. 2. Kaltstartmeßsystem, auf Basis der infraroten Gasabsorption funktionierend, dadurch gekennzeichnet, daß es aus den Modulen Strahler, Küvette und Detektor besteht, wobei als wesentlichstes Merkmal ein poröses Rohr als optische Küvette benutzt wird, hauptsächlich aus Sinterstahl oder Sinterbronze geschaffen, durch dessen gasdurchlässige Wandung das zu messende Abgas aus dem Kraftfahrzeug, ohne pneumatische Fördermittel, wie Pumpe, Druckminderer usw., die zu einer Zwangsströmung notwendig sind, lediglich aufgrund der Diffusion in die Küvette geführt wird.2. Cold start measuring system, functioning on the basis of infrared gas absorption, thereby characterized in that it consists of the modules emitter, cuvette and detector, being as essential feature is a porous tube used as an optical cuvette, mainly from Sintered steel or sintered bronze created, through its gas-permeable wall measuring exhaust gas from the motor vehicle, without pneumatic conveying means, such as a pump, Pressure reducers etc., which are necessary for a forced flow, only because of the Diffusion is led into the cuvette. 3. Kaltstartmeßsystem, geeignet für den Einbau ins Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das System in einer zylinderähnlichen Form als letztes Element des Abgasbehandlungssystems in dem Kraftfahrzeug untergebracht wird, wodurch eine Überhitzung der Elemente des Kaltstartmeßsystems vermieden wird.3. Cold start measuring system, suitable for installation in the motor vehicle, characterized in that the system in a cylinder-like form as the last element of the exhaust gas treatment system is housed in the motor vehicle, thereby overheating the elements of the Cold start measuring system is avoided. 4. Kaltstartmeßsystem, dadurch gekennzeichnet, daß die an der äußeren Wandung der Küvette festgehaltenen Rußpartikel mit Druckluft an der Tankstelle zurückgespült werden können und somit keine zusätzlichen Filter für das Kaltstartmeßsystem benötigt werden. Die Porösität des Küvettenrohres muß entsprechend der Konzentration und der Beschaffenheit der Rußpartikel im Abgasstrom des Kraftfahrzeuges ausgewählt werden.4. Cold start measuring system, characterized in that on the outer wall of the cuvette trapped soot particles can be flushed back with compressed air at the gas station and therefore no additional filters for the cold start measuring system are required. The porosity of the The cuvette tube must correspond to the concentration and the nature of the soot particles in the Exhaust gas flow of the motor vehicle can be selected.
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