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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Abgasbestandteilen, insbesonders von Russ-und Kohlenwasserstoffpartikeln im Abgas von Brennkraftmaschinen, wobei das zu messende Abgas nach dem Streulichtverfahren untersucht und die durch Abgasbestandteile verursachte Streulichtintensität als Mass für die gesuchte Bestandsteilskonzentration verwendet wird.
Verfahren der genannten Art sind bekannt und werden heutzutage beispielsweise im Zusammenhang mit routinemässigen Untesuchungen von in Fahrzeugen als Antriebsmotor verwendeten Brennkraftmaschinen eingesetzt, damit diese nicht zufolge von Mängeln, Fehleinstellungen, oder dergleichen, eine unerwünschte Umweltbelastung darstellen können. Nachteilig ist dabei, dass die bisher verwendeten Messverfahren unter verschiedenen Umständen nur eine relativ geringe gesicherte Auflösung der Partikelkonzentrationen ermöglichen.
Zur Vermeidung der genannten Nachteile geht die vorliegende Erfindung nun aus von einer Kombination von zum Teil bereits bekannten Messverfahren zur Messung von Russ und Kohlenwasserstoffpartikeln in Motorabgasen. Neue und entscheidende Verbesserungen ermöglicht die Tatsache, dass Messprinzipien unterschiedlicher Art und Sensorik, aber auch mit unterschiedlicher Aussage bzw. unterschiedlichen Auswertemechanismen kombiniert werden, womit erstmals eine wesentlich bessere Auflösung der Partikelkonzentrationen ermöglicht ist.
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FSN) mittels neuer Sampling-Methoden die Russkonzentration (allerdings nur integral und je nach vorhandener Partikelkonzentration in kürzeren oder Länderen Zeitintervallen) mit guten Auflösungen in Konzentrationsbereichen von ca.
0, 2 bis 5 mg/m3, aber auch in hohen Konzentrationsbereichen bis > 200
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hochauflösende Messungen im Bereich von 0, 01 bis 0, 5 sec währen dynamischer Fahrzyklen bzw. dynamischer Fahrzustandsänderungen, allerdings ist die Messwertauflösung in Konzentrationbereichen von < 10 mg/m3 nicht mehr optimal.
Schwärzungszahlmessgeräte messen prinzipiell nur den schwarzen Anteil, also den Kohlenstoffanteil des Motorenabgases, während Streulicht- und Opazitätsmesseinrichtungen, je nach Temperatur des Sampling Gases, nur den Russanteil (bei Temperaturen > 200 C) oder den Russanteil und einen Teil der kondensierten Kohlenwasserstoffe (bei Temperaturen im Bereich von < 100 C) messen können.
Die Streulich-Messung alleine hat den Nachteil, dass durch die Art und durch die Zusammensetzung der Partikel des Abgases (Russ, Kohlenwasserstoffanteil) und Partikel bzw. Partikelkonglomeratdurchmesser, Einflüsse auf den Messwert erzeugt werden, sodass trotz der hohen Messwertauflösung und auch trotz der vorhandenen sehr guten Reproduzierbarkeit eines Messwertes das Messergebnis ohne eine zusätzliche externe Kalibrierung oder ohne zusätzliche extrem teuere Massnahmen zum Feststellen der vorhandenen Partikelgrössenverteilung, nicht für reproduzierbare Tests voll geeignet ist. Damit kann eine gleichzeitig hochauflösende und hochdynamische Messung von Russ bzw. Partikeln in Abgas nicht oder nur eingeschränkt stattfinden :
Opacity : dynamisch, aber schlechte Messwertauflösung, Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Partikel.
Schwärzungszahl : Integral-bzw. Stationärmessung mit guter Messwertauflösung bei modernen und neuen Systemen, nur Russmessung.
Streulich : Messung von Russ und Kohlenwasserstoffen (abhängig von der Temperatur des Abgases), hohe Dynamik und hohe Messwertauflösung, aber Abhängigkeit von Partikeldurchmesser und Partikelzusammensetzung.
Anhand der vorhandenen Messdaten hat sich allerdings überraschenderweise herausgestellt, dass durch eine integrierte Kombination mindestens zweier Messprinzipien, wovon eines davon zumindest die Messung des Streulichts
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beeinhaltet, ein Gerät bzw. Verfahren konzipierbar ist, welches sowohl hochdynamische als auch hochauflösende Messungen von Partiekln erlaubt.
Beispielsweise ermöglicht die Kombination eines modernen Schwärzungszahl-Messgerätes mit einem integrierten Streulichtmesskopf eine sowohl hochdynamische Russkonzentrationsmessung, als auch eine gute Einkalibrierung der Messwerte mit der folgenden integralen Messung der Russkonzentration in länger dauernden Zeitintervallen.
Eine andere Kombiantion ist durch die gleichzeitige Messung der Opazität und des Streulichtmesssignals möglich, wobei am selben Messort über die Einkalibrierung des Streulichtmesswertes mittels des dynamischen oder auch integral kalkulierten Opazitätsmesssignals eine zusätzliche hochauflösende Partikelmessung ermöglicht wird.
Prinzipiell ist es möglich, separate Messköpfe bzw. Messsensoren an verschiedenen Messstellen zu applzieren, z. B. Streulichtmessung in line in der Abgasleitung des Motors und Russ- bzw. Opazitätsmessung über Sampling Leitung in einem externen Messgerät. Eine Kalibrierung des Streulichtmesswertes auf dynamische oder auch integrale Messwerte des Opazimeteres oder auch auf die integralen Messwerte eines sogenannten Smoke Meters ist ebenfalls möglich, aber für die Kalkulation und Kalibrierung ist eine Normierung auf äquivalente Durchflussraten und ein Einbeziehen der Zeitverzögerung zwischen Probenahmestelle und Messzelle des Smoke Meters bzw. Opazimeters bei der Korrelation der Messwerte erforderlich.
Eine Normierung der jeweiligen Messwertsignale auf gleiche oder äquivalente Bedingungen ist vorteilhaft. Bei Verwendung beispielsweise eines permanent samplenden sogenannten"Smoke Meters", welches integral die Messwerte während eynamischer Messungen aufnimmt, muss auf gleiche äquivalente Sampling Raten bzw. integrale Intervalle des Streulichtmesssignales normiert werden. Die wesentlich höhere Dynamik und die Abgasdurchflussraten in der Abgasanlage an der Stelle der Streulichtmessung muss in Übereinstimmung mit
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dem konstant samplenden Anteil des Smoke Meters gebracht werden. Die Normierung und Anpassung der Messwerte erfolgt dadurch, dass Druck, Temperatur und Gasflüsse an Probenahmestelle und Messzelle bzw.
Messort und allfällige Zeitverzögerungen gemessen und/oder kalkuliert werden und damit die Integrale (Summationen) durchgeführt werden und die Messwerte danach kalibriert werden.
Bei Vergleich von dynamischen Messwerten eines Sampling Opazimeters mit den dynamischen Messwerten eines Streulichtmessgerätes muss die Dynamik der Messwerte auf gleiche Anstiegszeit für beide Messgeräte, z. B. 0, 4 sec, normiert werden, um damit eine echte dynamische Kalibrierung zu ermöglichen. Eine derartige dynamische Kalibrierung erfolgt typischerweise in einem Bereich, wo
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B.algorithmen die Dynamik des schnelleren Signals an die Dynamik des langsameren Siganls angepasst wird.
Bei Beachtung dieser notwendigen Erfordernisse ist ein Vergleich bzw. eine on-line-Kalibrierung des Streulichtmesswertes mit Smoke Meter oder Opazimeter gut möglich. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch möglich, dass über eine Merhfachkombiantion, z. B. Reussmessgerät, Opazimeter und Streulichtmessung, bei verschiedenen Temperaturen sowohl die Partikelanteile des Russes, als auch die Anteile der Kohlenwasserstoffpartikel, beispielsweise in Verdünnungstunneln, sowohl dynamisch als auch integral gemessen werden können.
Die Messung des Streulichtes bei verschiedenen Winkeln, insbesondere bei gleichzeitiger Messung bei verschiedenen Streuwinkeln, ermöglicht zusätzliche Erkenntnisse über die Konzentration, die Grössenverteilung der momentan gemessenen Partikel und auch teils über die Zusammensetzung der Partikel.
Die für die Kalibrierung der Messsignale verwendeten Zeitintervalle werden vorzugsweise vom System automatisch soweit angepasst, dass sowohl für
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das zu kalibrierende System als auch für das zur Kalibrierung verwendete System (wie Smokemeter oder Opazimeter, oder auch beide Systeme) immer eine optimale Genauigkeit erreicht werden kann. Dabei wird auch überwacht, dass alle Messsignale eine Messgrösse und Signifikanz in der Art aufweisen, dass damit innerhalb des Kalibrierintervalls eine korrekte und exakte Kalibrierung möglich ist.
Die Kombination von mehreren Messsystemen, wobei zumindest eines der Systeme (Streulicht oder Opazimeter) bei unterschiedlichen Messzellentemperaturen betrieben wird, kann weiters dazu verwendet werden, mittels der bei unterschiedlichen Temperaturen gemessenen Messgrössen Streulicht und/oder Opacity oder aus den aus dem Streulicht oder der Opacity berechneten Konzentrationswerten, die "chemische" Zusammensetzung der gemessenen Konzentrationswerte dynamisch oder stationär aufzuschlüsseln.
Diese Aufschlüsselung kann vorzugsweise durch die in den Ansprüchen 11 und 12 dargelegten Methoden erfolgen, ist aber prinzipiell nicht darauf beschränkt. Es ist durchaus eine derartige Messung auch für das unverdünnte Abgas (Rohabgas) möglich. Für spezielle Untersuchungen kann beispielsweise auch alternativ oder zusätzlich bei wesentlich niedrigeren Messzellentemperaturen gemessen werden, um eine weitere Aufschlüsselung in Schwarzrauch (vorwiegend Russ), Blaurauch (vorwiegend Kohlenwasserstoffe) und Weissrauch (vorwiegend Wasserdampf) zu ermöglichen.
Eine derartige Aufschlüsselung ist natürlich auch möglich, indem anstatt der Verwendung von zwei Geräten bei verschiedenen Temperaturen, die Messzelle eines der Geräte zyklisch ihre Temperatur ändert, wobei selbstverständlich das Probenahmesystem, falls vorhanden, an die geänderten Messbedingungen angepasst werden muss.
Die Erfindung wird im folgenden noch anhnad der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei eine
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prinzipielle Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässes Verfahrens und die Fig. 2 bis 4 zeigen abgeänderte Ausführungsformen.
In Fig. 1 bedeutet
1 = Abgasrohr mit Abgasmassenfluss Q
2 = Messstelle 1 für beispielsweise Streulichtmessung mit v1, p1, T1, S1
3 = Messstelle 2 für beispielsweise Filtermessung mit v, p , T ,
Schwärzungszahl FSN oder Filtergewicht
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Die Kalkulation für die Normierung erfolgt beispielsweise für einen stationären Fall (v, T, p und Sl bleiben konstant) :
1) Filtergerät (Messstelle 2) : mit Probenahme - Messzeit ist 60 sec, integral - a) Messwert ist FSN (Filterschwärzungszahl). Daraus kann über bekannte
Algorithmen, z. B. MTZ 54/1 (1993) Seite 16, die Konzentration der
Kohlenstoffpartikel bzw. die Filterbeladung berechnet werden.
- b) Bei Filtermessung und Wägung der Filter ergibt sich die Masse in g direkt.
- Die Partikelmasse CTest ergibt sich also als g/Test (gemessen oder berechnet).
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Die- T2 ist die Temperatur am Filter in Kelvin - P2 ist der Absolutdruck am Filter in mbar - Der Messwert in g/sec C, ergibt sich als C/Messzeit - Der normierte Volumenfluss des Messgerätes Q2 in [m3/s] ergibt sich mit V2 * (T2/T0) * (p0/p2) und ist somit auf To (273. 15 Kelvin=OoCelsius) und po (1013mbar=lAtmosphäre) normiert.
- der normierte Konzentrationsmesswert Cc in [g/m3] ergibt sich mit CM/Q2
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oder C/ (Q/Messzeit) Das während der Testzeit angesaugte normierte Volumen Vol2 in [m3] ergibt sich mit QMesszeit (normiert auf 0 C, 1013 mbar) 2) Streulichtmessgerät : (Messstelle 2), im Vollstrom beispielsweise.
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lichtsignal anwenden und ergeben somit ein normiertes Streulichtsignal SIN. Dieses ist direkt proportional dem Konzentrationsmesswert Ce und damit als S1MX=Cc kalibrierbar.
Normierter Volumenfluss des Abgases Q in [m3/s]ergibt sich mit VI. (T1/T0) * (p0/p1) und ist somit auf To (273,15 Kelvin=0 Celsius) und Po (1013mbar = 1 Atmosphäre) normiert.
Die Gesamtmassenemission des Abgases ergibt sich mit CM* (Q/Q2) oder über äquivalente Berechnungen mittel Si
Anstatt des Volumenstroms kann auch der Massenstrom oder die Gasgeschwindigkeit gemessen werden und daraus mittels T, p, Gasdichte... usw., der Volumenstrom kalkuliert werden. Die dargelegten Kalkulationsgleichungen können auch anders angesetzt werden, um die Kalibrierung bzw. Normierung durchzuführen.
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spiel zeitlich variiert, so sind die vorigen dargestellten Gleichungen differentiell anzusetzen und zu berechnen und die Integrale (Summationen) über die Zeit (Kalibrierzykluszeit) zu bilden, wobei die Datenrate bzw. die Messzeitintervalle eine genügende Zeitauflösung ermöglichen müssen.
Die Normierung für die Kalibrierung darf dann ausschliesslich über das Zeitintegral der Testzeit (Kalibrierzykluszeit) erfolgen, wobei die Inkremente der Zeitintervalle dem Verhältnis der momentanen örtlichen Massenflüsse an den Messstellen angepasst werden müssen.
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Beschreibung von Fig. 2 : 1 ist beispielsweise ein Abgas förderndes Rohr, 5 ist die dazugehörige Probenahmestelle, an der auch Temperatur T, Absolutdruck p und der Volumenstrom v am Probenahmeort gemessen werden (falls erforderlich) ; 8 sind Probenahmesonden, wobei durchaus auch alle 3 Geräte 2, 3, 4 über eine einzige Sonde ihre Probe ziehen können. 9 sind Rückführleitungen, wo das gemessene Abgas vorzugsweise aber nicht zwingend wieder in das Abgasrohr 1 rückgeführt wird.
2 ist beispeilsweise ein Filtersmokemeter mit einer Pumpe, 3 ist ein Opacimeter, und 4 ist ein Streulichtmessgerät welche ebenfalls alle erforderlichen Messwerte und Daten liefern. Die getrennt dargestellten Geräte 2, 3, 4 können aber auch durchaus als Kombinationsgeräte 2 und 4 oder 3 und 4 konstruiert werden. 6 ist eine Recheneinheit, welche die Kalibrierung, die Normierung und die Kalkulation der Ergebnisse durchführt. 7 ist die Ausgabeeinheit welche die gewünschten Daten wie FSN, Opacity, dynamisches kalibriertes Streulichtsignal, dynamische"Russemission"..... liefert.
Beschreibung von Fig. 3 : Funktionsblockschaltbild einer Apparatur zur Durchführung der Erfindung mit einem komplexeren Aufbau. Messdaten oder kalkulierte Werte von Druck, Temperatur und Volumenflüssen sind nicht separat angeführt, aber für die Normierung und Kalibrierung zumindest zum Teil erforderlich.
1 ist ein abgasführendes Rohr mit Probenahme oder Messstellen 20.2 ist ein Massendurchflussmessgerät, 3 ein Filtersmokemeter, 4 ein Streulichtmessgerät 5 ein Opacimeter. Die Auswerteeinheiten 6 messen oder bilden die zur Kalibrierung des Streulichtsignals erforderlichen Integrale. Die Auswerteeinheiten 7 und 7a speichern oder kalkulieren dynamische Messwerte, wobei 7 unter Zuhilfenahme der Kalibriereinheiten 8 und 9 die dynamischen und hochauflösenden Messwerte des Streulichtmessteils kalibriert und normiert ausgibt.
Die Auswerteeinheit 10 kann weiters unter Einbeziehung des FSN-Wertes (bzw. des daraus berechneten Kohlenstoffkonzentrationswertes), der Opazität
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und des Streulichtes (welche Kohlenstoff und teilweise auch Kohlenwasserstoffe messen) die dynamische HC-Emission (Partikelanteil) und mittels des normierten Massenflussmesswertes der Kalibriereinheit 11 auch HC/Test gesamt berechnen und ausgeben. Die Kalibriereinheit 11 kann unter Zuhilfenahme der Messgrössen 25 (Messdaten 31 bis 34) die dynamischen Massenemissionen (und auch Gesamtemissionen/Test) 30 kalkulieren.
Beispielsweise aber nicht vollständig sind dann folgende Messdaten verfügbar : 30 Massenemissionen dynamisch und gesamt. 31 FSN und "Kohlenstoff"/Testzyklus, 32 hochauflösende Opazität oder Konzentration-Russpartikel oder k-Wert, normiert über FSN und Opazität, kalkuliert aus Streulicht. 33 gemessene Opazität und k-Wert aus Opazitätsmesswert. 34 dynamische Kohlenwasserstoffpartikelemission, kalkuliert unter Zuhilfenahme von FSN, wo nur Kohlenstoff gemessen wird.
Alle kalkulierten und ausgegebenen Messdaten sind auf Normalbedingungen normiert, können aber auch auf andere Randbedingungen, wie beispielsweise Opazitätsmesswerte bei 100 Celsius, umnormiert und angezeigt werden. Vorzugsweise sind alle Auswerteeinheiten 6 bis 11 als Gesamteinheit integriert.
Beschreibung von Fig. 4 : Funktionsblockschaltbild einer weiteren Apparatur zur Durchführung der Erfindung mit einem komplexeren Aufbau. Messdaten oder kalkulierte Werte von Druck, Temperatur und Volumen und Massenflüssen sind nicht separat angeführt, aber für die Normierung und Kalibrierung zumindest zum Teil erforderlich.
21 ist ein abgasführendes Rohr mit Probenahme oder Messstellen 20. 1 ist beispielsweise ein Opazimeter, inline im Verdünnungstunnel, 2 ein Streulichtgerät, ebenfalls inline im Verdünnungstunnel. Die Messwerte von 1 und 2 werden bei einer Gastemperatur von weniger als 520C gemessen. 3 ist ein Filtersmokemeter mit Probenahme. 4 ein Streulichtmessgerät mit Probenahme und 5 ein Opazimeter mit Probenahme, wobei Streulicht und Opazität hier bei einer Temperatur von ca. 180 bis 200 C gemessen werden.
Die Auswerteeinheiten (6 bis 10 speichern oder kalkulieren dynamische
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Messwerteeinheiten), bilden die zur Kalibrierung des Streulichtsignals erforderlichen Integrale in äquivalenter Weise wie für Fig. 3 beschrieben, vollführen die Kalibrierung der Streulichtmesswerte und zeigen die dynamischen, hochaufgelösten aber auch integralen Messwerte und kalkulierten Werte teils kalibriert und normiert an.
Die Kalibriereinheit 9 kann unter Zuhilfenahme der Messgrössen aller Geräte insbesondere durch die Messung bei verschiedenen Temperatur und unter der Anwendung bekannter Formalismen für Kondensationsmodelle hier wesentlich selektiver die dynamische Emission für Kohlenstoff und HC-Partikelanteile (relativ zu der Methode in Fig. 3) kalkulieren.
Beispielsweise aber nicht vollständig sind dann folgende Messdaten (31 bis 37) verfügbar :
Massenemissionen dynamisch und integral/Testzyklus, zusammen mit der Massen (oder Volumenfluss)-Messung, für Kohlenstoff, HC-Partikelanteil oder Gesamtpartikel.
FSN und "Kohlenstoff"/Testzyklus hochauflösende dynamische Opazität oder Konzentration der Russpartikel (Kohlenstoff) oder k-Wert (von Kohlenstoff), normiert über FSN und Opazität, kalkuliert aus Streulicht und/oder Opazitätswert.
Opazität und und k-Wert aus Opazitätsmesswert und/oder Streulichtmesswert (inklusive der HC-Partikelanteile) dynamische und hochauflösende Kohlewasserstoffpartikelemissionen, kalkuliert unter Zuhilfenahme von FSN, und insbesondere der Differenzen bei den verschiedenen Messtemperaturen aus Streulicht und/oder Opazitätsmesswerten.
Alle kalkulierten und ausgegebenen Messdaten sind auf Normalbedingungen normiert, können aber auch auf andere Randbedingungen, wie beispielsweise Opazitätsmesswerte bei 100 Celsius, umnormiert und angezeigt werden. Die Streulichtmessgeräte oder Streulichtmessköpfe-falls diese in ein Smokemeter oder Opazimeter integriert sind - können auch alternativ bei zumindest 2
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verschiedenen Streulichtwinkeln messen. Dadurch können alle vorhergehenden dargestellten Informationen dahingehend erweitert werden, dass damit insbesondere auch dynamische Daten über die Partikelgrössenverteilung und -zu- sammensetzung erhalten werden.