DE19821136C2 - Device for analyzing the exhaust gas from motor vehicles - Google Patents
Device for analyzing the exhaust gas from motor vehiclesInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraft fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterbildungen der Erfin dung sind Gegenstand der Patentansprüche 2-5.The present invention describes an apparatus for analyzing the exhaust gas of power vehicles according to the preamble of claim 1. Further developments of the Erfin tion are the subject of claims 2-5.
Folgende Durchschriften 1-3 befassen sich im engeren Sinne mit benachbarten Themenge bieten und werden aus diesem Grunde ausführlicher behandelt.The following copies 1-3 deal with neighboring topics in the narrower sense offer and are therefore treated in more detail.
In DE 40 01 970 A1 wird eine Abgasmeßanlage im Kraftfahrzeug oder an stationären Moto ren dargestellt, die fest eingebaut wird und die Erfassung sowie die Aufzeichnung und Spei cherung von Abgaswerten durch Anwendung von Gassensoren bzw. Gas-Sensorarrays im Auspuffstrang ermöglicht. In DE 196 05 053 A1 wird eine schnell zu taktende Meßvorrich tung dargestellt, die durch Hintereinanderschalten mehrerer infraroten Küvetten eine zeitliche Auflösung von 0,1-0,2 s ermöglicht. In dieser Anmeldung wird weiterhin ein Datenerfas sungsgerät beschrieben. Das US-Patent 5 475 223 A beschreibt eine infrarote Meßvorrich tung, die den Betriebszustand des Katalysators in der Form überwacht, daß sie seitlich in den Katalysator hineinschaut und durch eine Öffnung die im Katalysator herrschende Gas atmosphäre bestimmt. Alle drei Durchschriften geben keine Hinweise für die kontinuierliche Messung des Schadstoffausstoßes hinter dem Katalysator im Auspuffsystem.DE 40 01 970 A1 describes an exhaust gas measuring system in a motor vehicle or on a stationary engine Ren, which is permanently installed and the acquisition as well as the recording and storage Securing exhaust gas values by using gas sensors or gas sensor arrays in the Exhaust pipe allows. DE 196 05 053 A1 describes a measuring device that can be clocked quickly shown that a temporal by connecting several infrared cuvettes in series Resolution of 0.1-0.2 s enables. In this application, data continues to be recorded described. U.S. Patent 5,475,223 A describes an infrared measuring device device that monitors the operating state of the catalyst in such a way that it moves in laterally looks into the catalytic converter and through an opening the gas in the catalytic converter atmosphere determined. All three copies give no evidence of continuous Measurement of pollutant emissions behind the catalytic converter in the exhaust system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen anzugeben, die eine hohe Auflösung gegenüber den zu messenden Komponenten des Abgases hat und gleichzeitig unempfindlich gegen typische Belastungen im Kraftfahrzeug ist.The invention has for its object a generic device for analysis specify the exhaust gas from motor vehicles, which have a high resolution compared to the measuring components of the exhaust gas and at the same time insensitive to typical Loads in the motor vehicle.
Der Einsatzzweck der Erfindung ist die Erkennung von Fehlerzuständen im Verbrennungs system eines Kraftfahrzeuges.The purpose of the invention is the detection of fault conditions in the combustion system of a motor vehicle.
Zu diesem Zweck werden bestimmte Anteile des Abgases analysiert. Durch Vergleich von momentanen Konzentrationsverläufen mit gespeicherten Soll-Kennlinien kann auf einen Fehler im Verbrennungssystem zurückgeschlossen werden. Fig. 1 zeigt exemplarisch, wie die Schadstoffkonzentration durch Fehler im Verbrennungssystem, hier Zündaussetzer, beeinflußt wird.For this purpose, certain proportions of the exhaust gas are analyzed. By comparing current concentration curves with stored target characteristics, an error in the combustion system can be inferred. FIG. 1 shows an example of how the concentration of pollutants by errors in the combustion system, the misfire here is affected.
Zukünftige Kraftfahrzeuge werden zur Abgasanalyse ein integriertes Abgasmeßsystem be sitzen. Dabei wird während der Fahrt jedoch nicht ständig gemessen, sondern das Abgas meßsystem wird nur zu ausgewählten, sog. kritischen Zeitpunkten eingeschaltet und das Verbrennungssystem des Kraftfahrzeuges analysiert. Durch diese diskontinuierliche Be triebsweise wird die Lebensdauer des Abgasmeßsystems verlängert. Besonders wichtig bei diesem abschnittsweise erfolgenden Betrieb ist die Schonung der Abgasaufbereitung, insbe sondere des Abgasfilters, im Abgasmeßsystem. Durch die sinnvolle Auslegung der Ein schaltphasen kann das Wechseln des Abgasfilters zu den üblichen Zeitpunkten des Öl wechsels verlagert werden. In gleicher Weise wird auch der Bedarf an Reparaturen des inf raroten Gasanalysators reduziert. So wird der Bedarf an Reinigungsmaßnahmen wesentlich seltener auftreten als im vollständig kontinuierlichen Einsatz.Future motor vehicles will be equipped with an integrated exhaust gas measurement system for exhaust gas analysis sit. However, the exhaust gas is not constantly measured during the journey Measuring system is only switched on at selected, so-called critical times and that Combustion system of the motor vehicle analyzed. Through this discontinuous loading drive-wise the life of the exhaust gas measuring system is extended. Particularly important for This section-by-section operation is the protection of the exhaust gas treatment, in particular special of the exhaust gas filter, in the exhaust gas measuring system. Through the meaningful interpretation of the one Switching phases can be changing the exhaust filter at the usual times of the oil be shifted alternately. In the same way, the need for repairs of the inf Red gas analyzer reduced. So the need for cleaning measures becomes essential occur less frequently than in completely continuous use.
Ein Auswahlkriterium für einen sogenannten kritischen Zeitpunkt ist z. B. ein Lastwechsel. Erkennt die systemeigene Meß-, Steuer- und Regeleinrichtung (MSR-Einrichtung) einen Zu stand mit hoher Last, und vermutlich einen damit verbundenen höheren Schadstoffausstoß, so schaltet er das Abgasmeßsystem ein. Das Gerät mißt und vergleicht den momentan ge messenen Verlauf mit einem bei der Inbetriebnahme oder bei der letzten Inspektion gemes senen und als "gut" gefundenen und gespeicherten Schadstoffverlauf. Jedes Kraftfahrzeug mit Abgasmeßsystem bekommt während der Qualitätskontrolle der Produktion eine eigene Kennlinie, die in den vorher erwähnen kritischen Punkten mit definierter Last bestimmt wird. Bei jeder werkstattmäßigen Inspektion oder Reparatur im Motorsystem wird diese Kennlinie erneut gemessen und gespeichert. Eine Warnung wird dann ausgelöst, wenn dieser gespei cherte Verlauf langanhaltend, wiederholt und eindeutig verletzt wird.A selection criterion for a so-called critical point in time is e.g. B. a load change. The system's own measuring, control and regulating device (MSR device) detects a close stood with a high load, and probably an associated higher pollutant emissions, so he switches on the exhaust gas measuring system. The device measures and compares the ge currently measured course with a measured at commissioning or at the last inspection and the pollutant history found and stored as "good". Any motor vehicle with exhaust gas measuring system gets its own during quality control of production Characteristic curve that is determined in the previously mentioned critical points with a defined load. This characteristic is used for every workshop inspection or repair in the engine system measured again and saved. A warning is triggered when this is saved course is long-lasting, repeated and clearly violated.
Bei der vorliegenden Erfindung eines Abgasmeßsystems wird als Methode der Abgasanaly se das Verfahren der infraroten Gasabsorption vorgeschlagen.In the present invention, an exhaust gas measuring system is used as a method of exhaust gas analysis se proposed the process of infrared gas absorption.
Bei der dargestellten Vorrichtung ist eine Küvette (1) vorgesehen, s. Fig. 2, die einen Ga seinlaß (4), der mit dem Abgassystem des Kraftfahrzeuges verbunden ist, und einen Ga sauslaß (5) für das Abgas (9) aufweist. Die Küvette (1) wird von der Strahlung (8) einer Infra rot-Strahlungsquelle (2) durchsetzt. Zur besseren Bündelung der infraroten Strahlung ist ein Reflektor (3) vorhanden.In the device shown, a cuvette ( 1 ) is provided, see. Fig. 2, which has a Ga inlet ( 4 ), which is connected to the exhaust system of the motor vehicle, and a Ga outlet ( 5 ) for the exhaust gas ( 9 ). The cuvette ( 1 ) is penetrated by the radiation ( 8 ) from an infrared radiation source ( 2 ). A reflector ( 3 ) is provided for better focusing of the infrared radiation.
An dem dar Strahlungsquelle (2) gegenüber liegenden Ende der Küvette (1) ist ein Infrarot- Detektor (6) angeordnet, der die (verbleibende) Strahlung der Strahlungsquelle (2) empfängt. Das Ausgangssignal des Detektors (6) mit einer oder mit mehreren Meßzellen ist an eine Auswerteeinheit (7), wie beispielsweise einen PC, angeschlossen, der aus der Gasabsorpti on im Infrarotbereich die Zusammensetzung des Kfz-Abgases ermittelt.Where represents the radiation source (2), the opposite end of the cuvette (1) an infrared detector (6) is arranged, which receives the (remaining) radiation from the radiation source (2). The output signal of the detector ( 6 ) with one or more measuring cells is connected to an evaluation unit ( 7 ), such as a PC, which determines the composition of the vehicle exhaust gas from the gas absorption in the infrared range.
Bei dieser in Quelle 2, wie auch bei den in den weiteren Druckschriften beschriebenen Vor richtungen treten in der Praxis jedoch Probleme auf.With this in source 2 , as well as with the devices described in the other publications, problems occur in practice.
Die wichtigsten Voraussetzungen für den Einsatz im Kraftfahrzeug sind:
The most important requirements for use in a motor vehicle are:
- - Stabilität gegenüber Erschütterungen- Stability against vibrations
- - Unempfindlichkeit gegenüber Ruß-, Staub- und Aerosolablagerungen- Insensitivity to soot, dust and aerosol deposits
- - eine hohe Auflösung, da die Konzentration der zu messenden Bestandteile des Abgases wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NO) bei katalysator bestückten Otto-Motor-Kraftfahrzeugen mit jeweils durchschnittlich 100 ppm sehr niedrig ist.- A high resolution because the concentration of the components of the exhaust gas to be measured such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NO) for catalytic converters equipped Otto motor vehicles with an average of 100 ppm very low is.
Den Einbau des Abgasmeßsystems in ein Kraftfahrzeug sowie die wichtigsten Komponenten des Verbrennungssystems zeigt Fig. 3. Der Motor (10) als Verbrennungskraftmaschine pro duziert Abgas, im Katalysator (11) erfolgt die Umwandlung von Schadstoffen in ihre harmlo sen Oxidationsprodukte. Das Abgasmeßsystem ist mit der Entnahmestelle (12), der Abgas aufbereitung und Analysevorrichtung (13), der Auspuffanlage (14) sowie der Datenleitung (15) zur Verbindung der Anzeigeeinheit (16) mit der Analysevorrichtung (13) im Fahrzeug vertreten. Fig. 3 shows the installation of the exhaust gas measuring system in a motor vehicle and the most important components of the combustion system . The engine ( 10 ) as an internal combustion engine produces exhaust gas, in the catalytic converter ( 11 ) the conversion of pollutants into their harmless sen oxidation products. The exhaust gas measuring system is represented with the tapping point ( 12 ), the exhaust gas treatment and analysis device ( 13 ), the exhaust system ( 14 ) and the data line ( 15 ) for connecting the display unit ( 16 ) with the analysis device ( 13 ) in the vehicle.
Die Robustheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dadurch erhöht, daß die Küvette aus Edelstahl ist.The robustness of the device according to the invention is increased in that the cuvette is made of stainless steel.
Sollte die Vorrichtung verschmutzen oder Teile der Vorrichtung ausfallen, ist es von Vorteil, daß die Vorrichtung modular aufgebaut ist und einzelne Komponenten einfach ausgetauscht werden können. If the device becomes dirty or parts of the device fail, it is advantageous to that the device is modular and individual components are simply replaced can be.
Die Verwendung einer getakteten Strahlungsquelle und insbesondere eines Breitbandstrah lers, der Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3 µm und 6 µm emittiert, erhöht weiter die Robustheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The use of a clocked radiation source and in particular a broadband beam lers, which emits radiation in the wavelength range between 3 µm and 6 µm, increases further the robustness of the device according to the invention.
Da Kraftfahrzeuge unter den verschiedensten Bedingungen eingesetzt werden, ist es nicht
zu vermeiden, daß eine große Temperaturschwankung in sämtlichen Anlagenteilen auftritt.
Nicht nur die tageszeitlich bedingten Temperaturschwankungen wie in Fig. 4 verursachen
extreme Unterschiede im Signalverlauf, sondern auch die Ortswechsel des Fahrzeuges mit
Temperatur- und Druckveränderungen führen zu bedeutenden Verschiebungen der Signal
größe des Infrarot-Detektors. Diese Abhängigkeit des Infrarot-Detektors ist prinzipieller Art
und damit nicht ursächlich zu vermeiden. Die übliche einfache Methode, den Detektor bzw.
den ganzen Analysator zu thermostatisieren, versagt bei den Bedingungen für eine Meßvor
richtung in Kraftfahrzeugen unter anderem aus folgenden Gründen:
Since motor vehicles are used under a wide variety of conditions, it cannot be avoided that a large temperature fluctuation occurs in all parts of the system. Not only do the temperature fluctuations caused by the time of day as in FIG. 4 cause extreme differences in the signal curve, but also the change of location of the vehicle with changes in temperature and pressure lead to significant shifts in the signal size of the infrared detector. This dependency of the infrared detector is of a general nature and cannot be avoided by causation. The usual simple method of thermostatting the detector or the entire analyzer fails under the conditions for a measuring device in motor vehicles for the following reasons, among others:
- - Bei dem Einbau in ein Kraftfahrzeug muß das gesamte Meßsystem extrem klein und kos tengünstig sein.- When installed in a motor vehicle, the entire measuring system must be extremely small and inexpensive be inexpensive.
- - Der Energiebedarf eines Thermostaten kann unter Umständen nicht von der bordeigenen Batterie des Fahrzeugs bereitgestellt werden.- The energy requirements of a thermostat may not be met by the on-board Battery of the vehicle can be provided.
Das Abgasmeßsystem besteht aus den Komponenten Abgasentnahme, Abgasaufbereitung und Abgasanalyse.The exhaust gas measuring system consists of the components exhaust gas extraction, exhaust gas treatment and exhaust gas analysis.
Die Entnahme des Abgases aus dem Auspuff des Kraftfahrzeuges erfolgt hinter dem Kataly sator, nur so kann eine Aussage über die Funktionalität des gesamten Verbrennungssys tems und den Zustand des Katalysators gemacht werden.The exhaust gas is removed from the exhaust of the motor vehicle behind the catalyzer sator, this is the only way to make a statement about the functionality of the entire combustion system tems and the condition of the catalyst.
Die Abgasaufbereitung erfolgt wie im Gaslaufplan in Fig. 5 dargestellt. Das Abgas (9) wird mit einem auswechselbaren Abgasfilter (17) von Ruß und Partikeln gesäubert. Ein um schaltbares Magnetventil (18) dient der Umschaltung zwischen Abgas und Kalibriergas. Die Meßgaspumpe (19) befördert das zu messende Gas durch den Druckminderer (20) und ei nen Durchflußmesser (21) in die Küvette (1). The exhaust gas treatment takes place as shown in the gas flow diagram in FIG. 5. The exhaust gas ( 9 ) is cleaned of soot and particles using an exchangeable exhaust gas filter ( 17 ). A switchable solenoid valve ( 18 ) is used to switch between exhaust gas and calibration gas. The sample gas pump ( 19 ) conveys the gas to be measured through the pressure reducer ( 20 ) and egg NEN flow meter ( 21 ) in the cuvette ( 1 ).
Fig. 6 zeigt eine mögliche Realisierungsvariante der Abgasaufbereitung und der Abgasana lysevorrichtung (13) in einem gemeinsamen Gehäuse. Es ist angedeutet, wie der Abgasfilter (17) gewechselt werden kann (Die Abgasanalysevorrichtung ist in dieser Figur nur angedeu tet, nicht maßstäblich zur Abgasaufbereitung gezeichnet). Fig. 6 shows a possible implementation of the exhaust gas treatment and the exhaust analysis device ( 13 ) in a common housing. It is indicated how the exhaust gas filter ( 17 ) can be changed (the exhaust gas analysis device is only indicated in this figure, not drawn to scale for exhaust gas treatment).
Aus der Abgasaufbereitung und Analysevorrichtung (13) wird das Abgas (9) in die Auspuff anlage (14) zurückgeführt.The exhaust gas ( 9 ) is returned to the exhaust system ( 14 ) from the exhaust gas treatment and analysis device ( 13 ).
Die Abgasanalyse erfolgt mit dem Prinzip der infraroten Gasabsorption, wobei neben den ei gentlichen Meßsignalen für die Schadstoffbestimmung auch ein neutrales Referenzsignal generiert wird, mit dem äußere Umwelteinflüsse kompensiert werden können.The exhaust gas analysis is based on the principle of infrared gas absorption, whereby in addition to the ei possible measurement signals for the determination of pollutants also a neutral reference signal is generated with which external environmental influences can be compensated.
Das Meßprinzip der infraroten Gasabsorption ist hinlänglich bekannt. Die Probleme, die die ses Meßprinzip unter wechselnden Umweltbedingungen hat, wurden bereits in Punkt 5 be schrieben. Die Korrektur der Messung durch verschiedene Verfahren wird nachfolgend be schrieben.The measuring principle of infrared gas absorption is well known. The problems that this measuring principle has under changing environmental conditions have already been described in point 5 . The correction of the measurement by various methods is described below.
Häufigstes Problem ist die Verschiebung des Nullpunktes, das heißt, daß bei der Messung von unbelastetem Gas der ermittelte Meßwert nicht Null ist.The most common problem is the shift of the zero point, that is, during the measurement of unloaded gas, the measured value determined is not zero.
Die Lösung dieses Problems ist eine häufige Kalibrierung des Systems mit Umgebungsluft
nach folgender Methode:
The solution to this problem is a frequent calibration of the system with ambient air using the following method:
- - Das Magnetventil (18) in der Abgasaufbereitung (13) wird nach einer vorher bestimmten Zeit oder aufgrund gemessener äußerer Einflüsse automatisch umgeschaltet, so daß Au ßenluft in die Analysevorrichtung gelangt. In der Außenluft sind die Konzentrationen an CO, HC und NO so gering, daß man sie mit genügender Genauigkeit als Nullgas betrach ten kann. Durch einen softwaretechnischen Abgleich wird die Nullinie rechnerisch korri giert. Dadurch ergibt sich, daß neben der Nullinie im allgemeinen auch die Empfindlichkei ten wieder ihren richtigen Wert erreichen und somit das System wieder reproduzierte Werte anzeigt.- The solenoid valve ( 18 ) in the exhaust gas treatment ( 13 ) is automatically switched after a predetermined time or due to measured external influences, so that outside air gets into the analysis device. The concentrations of CO, HC and NO in the outside air are so low that they can be regarded as zero gas with sufficient accuracy. The zero line is mathematically corrected by means of a software-technical comparison. As a result, in addition to the zero line, the sensitivities in general also reach their correct value again and the system thus displays reproduced values.
Fig. 7 zeigt die Wirkung dieser Nullinienkorrektur. Man sieht die durch Temperaturdrift verschobene Nullinie (22) sowie die nach der Kalibrierung wieder korrekten Meßkurve (23). Fig. 7 shows the effect of this zero line correction. You can see the zero line ( 22 ) shifted by temperature drift and the correct measurement curve ( 23 ) after calibration.
Dieser Vorgang mit der ca. zweiminütigen Unterbrechung hat keinen nennenswerten Einfluß auf die Aussagefähigkeit der Messung, die sowieso nicht die absolute Kontinuität der Beobachtungen, sondern die Erkennung von Fehlern im Abgassystem zum Ziel hat.This process with the two-minute break has no significant Influence the meaningfulness of the measurement, which is not the absolute continuity anyway of the observations, but the detection of faults in the exhaust system.
Das unter Punkt 7 beschriebene Verfahren zur Nullinienkalibrierung hat den Vorteil, daß eine ständige Empfindlichkeitsjustierung entfallen kann, da sich bei diesem Verfahren die richti gen Korrekturen auch für den Empfindlichkeitspunkt (und damit alle anderen) ergeben. Trotzdem ist auch eine Kontrolle der Empfindlichkeit nach folgendem Verfahren möglich:The method for zero line calibration described in point 7 has the advantage that a constant sensitivity adjustment can be omitted, since this method also gives the correct corrections for the sensitivity point (and thus all others). Nevertheless, the sensitivity can also be checked using the following procedure:
Der CO2-Gehalt der Atmosphäre hat weltweit einen mittleren Wert von 340 ppm. Diesen Tat bestand kann man für die Empfindlichkeitskontrolle nutzen, da diese Konzentration gut zu den Meßbereichen der sonst zu erfassenden Bestandteile im Abgasstrom paßt.The CO 2 content of the atmosphere has an average value of 340 ppm worldwide. This fact can be used for the sensitivity control, since this concentration fits well with the measuring ranges of the components to be detected in the exhaust gas flow.
Wenn der Abgasanalysevorrichtung nun Außenluft zugeführt wird, muß, nachdem die oben beschriebene Nullpunktseinstellung durchgeführt wurde, das System die mittlere CO2- Konzentration anzeigen. Man kann dann mit relativer Sicherheit davonausgehen, daß auch für die anderen Meßkanäle der Empfindlichkeitspunkt stimmt. Nachteilig an der oben be schriebenen Methode ist, daß die örtliche CO2-Konzentration durch äußere Einflüsse stark schwankt. Besonders in Ballungszentren ist, bedingt durch den Straßenverkehr, die CO2- Konzentration sehr hoch. Fig. 8 zeigt die Kohlendioxidkonzentration in der Außenluft wäh rend einer Meßfahrt. Nach der Justierung des Nullpunktes durch synthetische Luft (24) er folgt die Fahrt durch eine kleine Gemeinde (25) mit einer relativ gleichmäßigen CO2- Konzentration. Die Fahrt durch eine größere Stadt mit Kreuzungen und Ampeln (26) zeigt hohe, stark schwankende CO2-Konzentrationen. Die Messung in einem ruhigen Innenhof (27) schließlich kommt der natürlichen CO2-Konzentration nahe.If outside air is now supplied to the exhaust gas analysis device, after the zero point adjustment described above has been carried out, the system must display the mean CO 2 concentration. It can then be assumed with relative certainty that the sensitivity point is also correct for the other measuring channels. A disadvantage of the method described above is that the local CO 2 concentration fluctuates greatly due to external influences. Due to road traffic, the concentration of CO 2 is very high, especially in conurbations. Fig. 8 shows the carbon dioxide concentration in the outside air during a test run. After the zero point has been adjusted by synthetic air ( 24 ), it is followed by a journey through a small community ( 25 ) with a relatively uniform CO 2 concentration. Driving through a larger city with intersections and traffic lights ( 26 ) shows high, strongly fluctuating CO 2 concentrations. Finally, the measurement in a quiet courtyard ( 27 ) comes close to the natural CO 2 concentration.
Als möglicher Ausweg aus der unter Punkt 8 beschriebenen Schwierigkeit, die sich aus der Schwankung der natürlichen CO2-Konzentration ergibt, empfiehlt sich die Beobachtung der CO2-Konzentration im Abgasstrom des Kraftfahrzeuges. Dieser Wert ist durch den Verbren nungsvorgang relativ stabil, so daß diese Konzentration als Vergleichswert zur Einstellung der Empfindlichkeit der einzelnen Meßkanäle benutzt werden kann.As a possible way out of the difficulty described under point 8 , which results from the fluctuation in the natural CO 2 concentration, it is advisable to observe the CO 2 concentration in the exhaust gas stream of the motor vehicle. This value is relatively stable due to the combustion process, so that this concentration can be used as a comparison value for adjusting the sensitivity of the individual measuring channels.
Durch die hohe Konzentration von CO2 (12 Vol%) im Abgas muß allerdings die Anordnung des CO2-Strahlenganges in der Meßküvette anders erfolgen als für die anderen Schadgase. Grundsätzlich muß der optische Weg für die CO2-Messung wesentlich kürzer sein als für die Schadgase CO, NO und HC.Due to the high concentration of CO 2 (12 vol%) in the exhaust gas, the arrangement of the CO 2 radiation path in the measuring cell must be different from that for the other harmful gases. Basically, the optical path for the CO 2 measurement must be much shorter than for the harmful gases CO, NO and HC.
Normalerweise erfolgt die Ermittlung eines Meßwertes aus der Bildung des Quotienten aus dem Signal für die Schadstoffkomponente (Meßsignal) und dem Referenzsignal.A measured value is normally determined from the formation of the quotient the signal for the pollutant component (measurement signal) and the reference signal.
Die Signalverläufe von Meßsignal und Referenzsignal weisen eine große Ähnlichkeit auf. Deshalb kann man das Quotientenverfahren insofern modifizieren, daß man einen gewissen Toleranzbereich um den Signalverlauf festlegt und innerhalb dieses Bereichs den Quotienten zu "eins" setzt. Damit erhält man einen Bereich für die Null-Konzentration, und nur wenn die ser Toleranzbereich verlassen wird, wird eine Konzentration entsprechend den Werten des dann bestimmten echten Quotienten angezeigt.The signal curves of the measurement signal and the reference signal are very similar. Therefore one can modify the quotient procedure in such a way that a certain Defines the tolerance range around the signal curve and within this range the quotient sets to "one". This gives you a range for zero concentration, and only if that If this tolerance range is left, a concentration corresponding to the values of then displayed certain real quotients.
Da in Kraftfahrzeugen erfahrungsgemäß extrem dynamische Bedingungen herrschen, kann man die echten, d. h. vom Abgas erzeugten Meßsignale gut von den langsamer schwingen den, temperaturbedingten Schwankungen unterscheiden. Zur Korrektur muß man die erste Ableitung des Konzentrationsverlaufs nach der Zeit bilden. Die erste Ableitung erfaßt nur echte Sprungfunktionen, die z. B. beim Gasgeben im Kraftfahrzeug entstehen. Die tempera turbedingten Schwankungen gehen in der Ableitung gegen Null. In Fig. 9 ist ein konkreter Meßwertverlauf dargestellt. Von dem Original-Meßsignal der Schadstoffkomponente HC (28) wurde die erste Ableitung (29) gebildet. Deutlich zu sehen ist, daß die durch Temperaturein flüsse hervorgerufenen Meßsignalschwankungen (30) in der Ableitung (29) gegen Null ge hen.Since experience has shown that extremely dynamic conditions prevail in motor vehicles, the real, that is to say measurement signals generated by, the exhaust gas can be distinguished from the more slowly fluctuating temperature-related fluctuations. To make a correction, you have to make the first derivative of the concentration curve over time. The first derivative only captures real step functions, e.g. B. arise when accelerating in the motor vehicle. The temperature-related fluctuations in the derivative approach zero. In Fig. 9, a concrete Meßwertverlauf is illustrated. The first derivative ( 29 ) was formed from the original measurement signal of the pollutant component HC ( 28 ). It can clearly be seen that the measurement signal fluctuations ( 30 ) caused by Temperaturein influences in the derivative ( 29 ) go towards zero.
Hat man die Stellen der Sprungfunktionen aus der ersten Ableitung nach der Zeit gefunden, so z. B. durch die Beobachtung einer Zeitreihe, also einer zeitlichen Reihenfolge von Meßer gebnissen. So kann man die Punkte mit Sprungeigenschaften eindeutig erkennen. Tritt ein solcher echter Sprung auf, d. h. hebt sich ein Meßwert eindeutig aus dem vorher definierten Toleranzband mit einer zugelassenen Breite aus der Differentialkurve hervor, so muß von diesem Punkt an die echte Konzentrationskurve zur Auswertung herangezogen werden. Beim Zurückkehren der ersten Ableitung auf den Nullpunkt wird die Nullinie wieder als eine unveränderte stabile Linie aus dem softwaretechnischen Filter ausgegeben. Man hat also während der Fahrt entweder eine absolute Nullinie, ohne Schwankungen, weil keine Sprung funktionen aufgetreten sind und die temperaturbedingten Schwankungen vernachlässigt werden, oder beim Auftreten von echten dynamischen Sprungfunktionen, z. B. beim Gasge ben, Gangwechseln, Bremsen, etc. werden nach der ersten Ableitung die Originalmeßsigna le betrachtet, die aus dem Konzentrationsverlauf gewonnen werden.If you have found the positions of the jump functions from the first derivative after the time, so z. B. by observing a time series, i.e. a chronological order of the knife results. So you can clearly see the points with jumping properties. Occurs such a real leap on, d. H. a measured value clearly stands out from the previously defined one Tolerance band with an approved width from the differential curve, so must from At this point, the real concentration curve can be used for evaluation. When the first derivative returns to the zero point, the zero line becomes one again unchanged stable line output from the software filter. So you have either an absolute zero line while driving, without fluctuations because no jump functions have occurred and the temperature-related fluctuations are neglected be, or when real dynamic jump functions occur, e.g. B. at the Gasge ben, gear changes, brakes, etc. become the original measurement signa after the first derivation le considered, which are obtained from the course of concentration.
Eine weitere Korrekturmethode besteht in der Nachstellung der Signalhöhen durch eine e lektronisch einstellbare Verstärkungsregelung.Another correction method is to readjust the signal levels using an e electronically adjustable gain control.
Da die Referenzbande bei der infraroten Gasabsorption so ausgelegt wird, daß bei ihrer Bande grundsätzlich keine Absorption erfolgt, müßte das Meßsignal des Referenzkanals des Infrarotdetektors immer die ursprüngliche Größe besitzen. Durch Temperatureinflüsse und Alterung schwankt aber dieses Signal im Kraftfahrzeug doch beachtlich.Since the reference band in infrared gas absorption is designed so that in its Band no absorption takes place, the measurement signal of the reference channel of the Infrared detector always have the original size. Due to temperature influences and Aging but this signal fluctuates considerably in the motor vehicle.
Um die temperaturbedingten Schwankungen der Signale zu kompensieren, besteht die Mög lichkeit, das Referenzsignal durch die systemeigene MSR-Einrichtung ständig zu beobach ten. Wenn das Referenzsignal um einen vorher definierten Wert vom ursprünglich eingestell ten Wert der Erstkalibrierung abweicht, werden alle Signale durch eine elektronisch einstell bare Verstärkungsregelung auf die ursprüngliche Signalhöhe gebracht. Fig. 10 zeigt den Originalverlauf (31) des Referenzsignals, den durch Alterung oder Temperaturdrift geschwäch ten Verlauf (32) sowie den durch die elektronisch einstellbare Verstärkung wieder angeho benen Signalverlauf (33).In order to compensate for the temperature-related fluctuations in the signals, there is the option of continuously monitoring the reference signal using the system's own measurement and control system. If the reference signal deviates from the originally set value of the initial calibration by a previously defined value, all signals are transmitted electronically adjustable gain control brought to the original signal level. Fig. 10 shows the original curve (31) of the reference signal, the geschwäch th due to aging or temperature drift curve (32) and the angeho surrounded again by the electronically adjustable gain waveform (33).
Durch diese Maßnahme bleibt der volle Bereich der Signaldynamik erhalten. This measure preserves the full range of signal dynamics.
Fig.Fig.
1 Erhöhung der Schadstoffkonzentration der Abgaskomponente Kohlenwasserstoffe
durch Zündaussetzer
1 Increase in the pollutant concentration of the exhaust gas component hydrocarbons due to misfiring
Fig.Fig.
2 Prinzip der infraroten Gasabsorption2 Principle of infrared gas absorption
11
Küvette
Cuvette
22nd
Infrarot Strahlungsquelle
Infrared radiation source
33rd
Reflektor
reflector
44th
Gaseinlaß
Gas inlet
55
Gaseinlaß
Gas inlet
66
Infrarot-Detektor
Infrared detector
77
Auswerteeinheit
Evaluation unit
88th
Infrarote Strahlung
Infrared radiation
99
Abgas
Exhaust gas
Fig.Fig.
3 Einbaumöglichkeit des Abgasmeßsystems im Kraftfahrzeug3 Possibility of installing the exhaust gas measuring system in the motor vehicle
1010th
Motor
engine
1111
Katalysator
catalyst
1212th
Entnahmestelle
Tapping point
1313
Abgasaufbereitung und Analysevorrichtung
Exhaust gas treatment and analysis device
1414
Auspuffanlage
Exhaust system
1515
Datenleitung
Data line
1616
Anzeigeeinheit
Display unit
Fig.Fig.
4 Temperaturverlauf während eines Tages
4 Temperature profile during a day
Fig.Fig.
5 Gaslaufplan5 gas flow diagram
1717th
Abgasfilter
Exhaust filter
1818th
Magnetventil
magnetic valve
1919th
Meßgaspumpe
Sample gas pump
2020
Druckminderer
Pressure reducer
2121
Durchflußmesser
Flow meter
Fig.Fig.
6 Darstellung der Abgasaufbereitung und Abgasanalyse
6 Presentation of exhaust gas treatment and exhaust gas analysis
Fig.Fig.
7 Nullinienkorrektur7 zero line correction
2222
Durch Temperaturdrift verschobene Nullinie
Zero line shifted by temperature drift
2323
Korrigierte Meßkurve
Corrected trace
Fig.Fig.
8 Kohlendioxidkonzentration in der Außenluft8 Carbon dioxide concentration in the outside air
2424th
Justierung durch synthetische Luft
Adjustment by synthetic air
2525th
Fahrt durch kleinere Gemeinde
Drive through smaller community
2626
Fahrt in der Innenstadt
Downtown drive
2727
Messung im Innenhof
Measurement in the courtyard
Fig.Fig.
9 Ableitung als Korrekturfunktion9 Derivation as a correction function
2828
Original-Meßsignal
Original measurement signal
2929
Erste Ableitung
First derivative
3030th
Temperaturbedingte Meßsignalschwankung
Temperature-related measurement signal fluctuation
Fig.Fig.
10 Korrektur der Signalhöhen10 Correction of signal levels
3131
Originale Signalhöhe
Original signal level
3232
Durch Alterung geschwächte Signalhöhe
Signal level weakened by aging
3333
Korrigierte Signalhöhe
Corrected signal level
Claims (5)
- - einer Küvette, die mit dem Abgas des Kraftfahrzeuges beströmt wird,
- - einer Infrarotstrahlungsquelle, deren Licht die Küvette durchsetzt,
- - einem Infrarotdetektor, der das Licht der Strahlungsquelle empfängt, und
- - einer Auswerteeinheit, an die das Ausgangssignal des Infrarotdetektors angelegt ist, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Küvette in der Karosseriestruktur des Kraftfahrzeuges integriert ist und eine Länge von wenigstens 50 cm aufweist.
- a cuvette which is flown with the exhaust gas of the motor vehicle,
- an infrared radiation source, the light of which passes through the cuvette,
- an infrared detector which receives the light from the radiation source, and
- an evaluation unit to which the output signal of the infrared detector is applied, characterized in that
- - That the cuvette is integrated in the body structure of the motor vehicle and has a length of at least 50 cm.
- - für die Kalibrierung der Nullinie durch die Messung der Außenluft,
- - für die Überprüfung der Empfindlichkeit anhand des natürlichen Kohlendioxidgehaltes der Außenluft oder des Abgasstromes,
- - für die softwaretechnische Filterung des Meß- und eines Referenzsignals, um die Nullinie auf den konkreten Wert einzustellen
- - für die Korrektur der Nullinie anhand der ersten zeitlichen Ableitung des Signalverlaufes und
- - für die Korrektur aller Signalhöhen anhand der Abweichung der Signalhöhe des Referenz signals durch eine elektronisch einstellbare Verstärkungsregelung.
- - for the calibration of the zero line by measuring the outside air,
- - for checking the sensitivity based on the natural carbon dioxide content of the outside air or the exhaust gas flow,
- - For the software-technical filtering of the measurement and a reference signal in order to set the zero line to the concrete value
- - For the correction of the zero line based on the first time derivative of the signal curve and
- - For the correction of all signal levels based on the deviation of the signal level of the reference signal by an electronically adjustable gain control.
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| DE19821136A1 (en) | 1999-03-25 |
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Legal Events
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| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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