AT501279A4

AT501279A4 - Vorrichtung und verfahren zur abgasmessung an vorbeifahrenden kraftfahrzeugen

Info

Publication number: AT501279A4
Application number: AT7772005A
Authority: AT
Inventors: Ernst Dipl Ing Dr Techn Pucher
Original assignee: Ernst Dipl Ing Dr Techn Pucher
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-08-15
Also published as: AT501279B1; WO2006119519A1; DE112006000945A5; AT501279B8

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Abgasbestandteilen in der Abgaswolke von an einer Mess Vorrichtung vorbeifahrenden Kraftfahrzeugen. Für die Abgasmessung an Kraftfahrzeugen (PKW und LKW) sind eine Reihe unterschiedlicher Messmethoden bekannt, wobei einige für bestimmte Zertifizierungsverfahren von Fahrzeugen vorgeschrieben sind. Für die PKW-Zertifizierung sind beispielsweise Rollenprüfstandtests bekannt, bei welchen das Fahrzeug mehrere Kilometer wie in der Realität gefahren wird. Der Test inkludiert auch Kaltstarts, wobei die Abgasbestandteile C02, CO, HC, NOx und Partikel gemessen und das Ergebnis beispielsweise in g/km ausgewiesen wird. Am Rollenprüfstand werden jedoch nur einzelne Fahrzeuge gemessen. Für die LKW-Zertifizierung werden einzelne Motoren auf einem Motorenprüfstand betrieben, wobei das Ergebnis der Abgasmessung in g/kWh ausgewiesen wird. Im Unterschied zur PKW-Zertifizierung wird bei der LKW-Zertifizierung kein Kaltstarttest gefahren.

Bei Abgaskurztests für die wiederkehrende Überprüfung erfolgt bei Fremdzündungsmotoren eine Messung von λ Und der CO-Konzentration bei einem stationären Null-Lastpunkt, z.B. bei erhöhter Lehrlaufdrehzahl (vergleiche PUCHER, E.: Überprüfung von im Verkehr befindlichen Katalysatorfahrzeugen VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 12, Nr. 121, Düsseldorf, 1988.). Bei Dieselmotoren wird die Rußtrübung (k-Wert) mittels freier Motorbeschleunigung bei Nulllast erfasst. Die Messungen erfolgen im Stillstand des Fahrzeugs und können somit lediglich sogenannte Leerlauf-Betriebspunkte erfassen.

Ein weiteres Abgasmessverfahren, mit welchem sich die vorliegende Anmeldung befasst, ist die straßenseitige Abgasfernmessung im realen Straßenverkehr (Road Side Testing), wobei innerhalb kurzer Zeit eine große Anzahl von Fahrzeugen im realen Verkehr gemessen werden kann. Bekannte Verfahren arbeiten nach dem RSD-Messprinzip (Remote Sensing Detection). Bei diesem Verfahren wird zur Abgasfernmessung eine optische Messeinrichtung verwendet, welche im Wesentlichen aus einer Strahlungsquelle, einem Strahlungsempfänger, sowie allfälligen Spiegelelementen zum Umlenken der Anregungs- und/oder Messstrahlung besteht. Die Messstrahlung wird beim Durchtritt durch die Abgaswolke durch die einzelnen Abgasbestandteile in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen geschwächt bzw. absorbiert, so dass aus den Intensitätsänderungen in der Messstrahlung zumindest indirekt mittels Korrelationsverfahren auf die Anteile der Abgaskomponenten relativ zueinander geschlossen werden kann. *

Ein derartiges Messverfahren ist beispielsweise aus der WO 00/26641 Al bekannt. Neben der eigentlichen Strahlungsmesseinheit weist das Messsystem weiters eine bildgebende Einheit zur Ermittlung des Kennzeichens, sowie Lichtschranken oder Induktionsschleifen zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Fahrzeugs auf.

Weiters ist aus der WO 98/37405 ein Verfahren zur Abgasfernmessung bekannt, bei welcher als Strahlungsquelle ein breitbandiger IR-Lichtstrahl verwendet wird. Eine erste Wellenlänge der IR-Anregungsstrahlung wird durch CO2 absorbiert. Mit einer zweiten Wellenlänge der Anregungsstrahlung wird eine zweite Abgaskomponente, beispielsweise HC, CO oder NOx gemessen, und der Messwert durch Bildung des Quotienten auf den Messwert der C02-Messung bezogen. Mit diesem Verfahren erhält man nach Vielfachmessungen und Anwendung von Korrelationsverfahren relative Angaben der Abgasbestandteile einer Abgaswolke jeweils bezogen auf den C02-Gehalt, eine direkte Messung der Volums- oder Gewichtsanteile der einzelnen Abgaskomponenten, insbesondere aber der Bezugsgröße C02, ist damit aber nicht möglich. Ein weiterer Nachteil bei der optischen Messung besteht darin, dass bei Straßen mit mehreren Fahrbahnen komplizierte optische Einrichtungen zu realisieren sind, welche meist Umlenkspiegel und/oder Überkopfanordnungen von Detektoren oder Strahlungsquellen benötigen und daher im realen Straßenverkehr oft nur schwer zu verwirklichen sind.

Weitere gewichtige Nachteile ergeben sich bei der Abgasmessung von LKW, da die Auspuffendrohre im vorderen Viertel des Fahrzeugs angebracht sind und die notwendige Mehrfachmessung mittels des Messstrahls quer über die Fahrbahn durch Achsen, Räder und Anhängerstützen beeinträchtigt werden. Ebenso ist die Messung von Fahrzeugen mit Hochauspuff kaum möglich. Die aufwändige Strahlenmesstechnik quer über die Fahrbahn führt darüber hinaus zu sehr kostenintensiven Konstruktionen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Messung von Abgasbestandteilen in der Abgaswolke von an einer Messvorrichtung vorbeifahrenden Kraftfahrzeugen zu entwickeln, welches die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet und eine direkte Messung der Volums- oder Gewichtsanteile bestimmter Abgaskomponenten oder der Opazität (Abgastrübung) in der Abgaswolke zulässt. Die Vorrichtung soll unproblematisch auch bei Straßen mit mehreren Fahrbahnen sowie bei den gängigsten Fahrzeugtypen und Auspuffanordnungen eingesetzt werden können, sowie den fließenden Verkehr möglichst wenig beeinflussen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Fahrbahnrand, im Bereich der Fahrbahnoberfläche, oder über der Fahrbahn zumindest eine Abgas-

• ···· ·· · 0 000 0 0 0 0 000 000 sonde angebracht wird, dass direkt aus der Abgaswolke des Fahrzeugs eine Gasprobe entnommen wird, dass der Volums- oder Gewichtsanteil zumindest einer Abgaskomponente der Abgasprobe und/oder die Opazität der Abgasprobe gemessen und dem jeweils die Messvorrichtung passierenden Kraftfahrzeug zugeordnet wird. Falls zusätzlich die Verdünnung der Abgaswolke mit der Umgebungsluft berücksichtigt werden muss, kann das Luftverhältnis Lambda der Abgasprobe gemessen und davon der Grad der Verdünnung der Abgasprobe berechnet werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Abgasbestandteilen in der Abgaswolke von an der Messvorrichtung vorbeifahrenden Kraftfahrzeugen weist eine Analyseneinrichtung zur Bestimmung der Volums- oder Gewichtsanteile zumindest einer Abgaskomponente und/oder der Opazität auf, welche mit einer am Fahrbahnrand, im Bereich der Fahrbahnoberfläche oder über der Fahrbahn angeordneten Abgassonde zur Gewinnung einer Abgasprobe direkt aus der Abgaswolke in Verbindung steht. Weiters kann die Analyseneinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung des Luftverhältnisses der Abgasprobe aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit den Vorteil, dass die einzelnen Abgasbestandteile sofort als Volums- oder Gewichtsanteil oder als Trübungskoeffizient ausgewiesen werden und nicht als Prozentanteil in Bezug auf einen angenommenen C02-Gehalt der Abgaswolke. Die Abgasprobe wird durch eine Pump-bzw. Saugeinrichtung der Analyseneinrichtung in das Messgerät transportiert, wobei die Laufzeit der Probe vom Sondeneingang zum Messgerät bekannt ist und durch eine entsprechende zeitliche Korrektur eine eindeutige Zuordnung zum jeweils passierenden Fahrzeug möglich ist. Erfindungsgemäß wird das Passieren eines Fahrzeuges optisch, elektronisch, akustisch oder mittels Video-Bildverarbeitung detektiert, wobei das daraus abgeleitete Signal zur Steuerung der Probennahme und/oder für die Zuordnung der Messergebnisse zum jeweiligen Kraftfahrzeug sowie zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit und Beschleunigung herangezogen werden kann.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug bildgebend, vorzugsweise durch ein Videosystem, erfasst und das Bildsignal dem Messsignal der zumindest einen Abgaskomponente der Opazität oder des Lambdawertes zugeordnet wird. Bei der Verwendung eines Videosystems kann das Videosignal einer Videoanalyse unterzogen werden und daraus die Fahrgeschwindigkeit und/oder die Änderung der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs (Beschleunigung oder Abbremsung), sowie der Fahrzeugtyp (PKW, LKW, Bus, etc.) ermittelt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Ausdehnung der Abgaswolke des Fahrzeugs mit einem vorzugsweise mehrdimensionalen Wärmebildsystem ·· ·« ♦ ···· ♦ ···· • ••·· · ·· · ······ ♦ · ··· • · · · ···· ♦ · ♦ «····· ♦ · ·· ·£ ♦ · ··· ♦·· erfasst werden und daraus die pro Zeiteinheit emittierte Abgasmenge bestimmt werden. Weiters ist es möglich jaus der Ausdehnung der Abgaswolke ein Signal zur automatischen Positionierung der Abgassonde zu ermitteln. Eine am Fahrbahnrand angeordnete Abgassonde kann beispielsweise automatisch in der Höhe derart nachjustiert werden, dass die Abgasfahne vorbeifahrender LKWs optimal erfasst wird.

Schließlich ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung möglich, den Betriebszustand des Motors eines Kraftfahrzeuges mit Hilfe eines Wärmesensors zu erfassen und zur Interpretation der Messergebnisse heranzuziehen. Beispielsweise kann mit Hilfe der abgestrahlten Wärme eines Motors festgestellt werden, ob sich dieser noch in einer Kaltstartphase oder bereits in der Normalbetriebsphase befindet.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des hier beschriebenen Systems gegenüber den bekannten Verfahren mit Strahlungsquellen und Spiegeln ist dadurch gegeben, dass es äußerst klein gebaut werden kann (die Abgassonden müssen lediglich einige Millimeter dick sein) und es somit für den vorbeifahrenden Verkehr zu keinen Ablenkungen und damit sicherheitsrelevanten Beeinträchtigungen kommen kann.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Darstellungen näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Abgasbestandteilen in der Abgaswolke eines Kraftfahrzeugs, Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung, sowie Fig. 3 eine Abgassonde der Vorrichtung nach Fig. 1 in einer alternativen Ausführungsvariante.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Messung von Abgasbestandteilen in der Abgaswolke 1 eines Kraftfahrzeuges 2, welches die Messvorrichtung 3 passiert, weist eine Analyseneinrichtung 4 auf, mit welcher der Volums- oder Gewichts-antei^en^j^^^r^m^irerer Abgaskomponenten, sowie die Opazität (Abgastrü-bung|)/^iere Kann aie^na^seneinrichtung 4 eine Einrichtung zur Bestimmung des Luftverhältnisses Lambda der Abgasprobe aufweisen um die Verdünnung der Abgasprobe mit Umgebungsluft zu berücksichtigen.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, sind im Bereich der Fahrbahnoberfläche 5 pro Fahrbahn 6a, 6b einer mehrspurigen Straße 7 jeweils schematisch angedeutete Abgassonden 8, 8' vorgesehen, welche über Abgasleitungen 9, 9' mit der Analyseneinrichtung 4 in Verbindung stehen. Mit Hilfe der Abgassonde 8, welche beispielsweise durch ein offenes Schlauchende realisiert ist, kann über eine ·· ·· · ·· • ··· • « • i ··· ··· • · · · · • · · · · · • ·· ····· · • · · · · · ·· -*5 - * β

Saugeinrichtung in der Analyseneinrichtung 4 eine Abgasprobe direkt aus der Abgaswolke 1 eingesaugt und dem elektrooptischen oder elektrochemischen Sensoren in der Analyseneinrichtung zugeführt werden. Für die Auswertung der Messergebnisse und deren Ausgabe ist eine Auswerte- und Displayeinheit 10 (Messcomputer) in der Messeinrichtung 3 vorgesehen.

Die Messeinrichtung 3 weist weiters ein bildgebendes System 11, beispielsweise ein Videosystem, auf, dessen Videosignal zur Identifikation des Fahrzeugs 1, zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Fahrzeugbeschleunigung, aber auch zur Steuerung der Probennahme dienen kann. Beispielsweise kann über Magnetventile in der Analyseneinrichtung 4 die jeweilige Abgasleitung 9 bzw. 9' zur Aktivierung der Abgassonde 8 bzw. 8' freigeschaltet werden.

Weiters kann die Messvorrichtung 3 ein mehrdimensionales Wärmebildsystem 12 aufweisen, mit welchem die Ausdehnung der Abgaswolke 1 gemessen werden kann, um Absolutmengen der einzelnen Abgaskomponenten berechnen zu können.

Mit 13 ist ein optischer, elektronischer oder akustischer Sensor gekennzeichnet (beispielsweise Lichtschranke, Temperatursensor oder Mikrophon), mit welchem einerseits das Passieren eines Kraftfahrzeuges 1 detektiert werden kann, um Steuerbefehle für die Messeinrichtung 3 zu generieren oder auch - bei Verwendung eines Temperatursensors - Aussagen über den Betriebszustand des Motors des Kraftfahrzeuges 1 gewonnen werden können.

Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung gemäß Linie II-II der Abgassonde 8 im Bereich der Fahrbahn 6a, aus welcher erkennbar Ist, dass die Abgasleitungen 9, 9' mit Hilfe von beidseitig angeordneten Überfahrrampen 14 auf der Fahrbahnoberfläche 5 verlegt werden können. Die eigentliche Sonde 8 kann als kurzes Schlauchstück 15 oder als Öffnung in der Abgasleitung 9 ausgebildet sein. Weiters ist es möglich, die Abgassonden 8, 8' sowie die Abgasleitungen 9, 9' in die Fahrbahn 5 einzulassen. Eine Überkopfanordnung zur Detektion das Abgases aus Hochauspuffanlagen ist ebenfalls möglich.

Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante ist die Abgassonde 8" im Bereich des Fahrbahnrandes 16 angeordnet, wobei die Sonde 8" an einem Stativ 17 befestigt ist und vertikal verschoben werden kann. Beispielsweise kann die Ausdehnung der Abgaswolke 1 mit dem Wärmebildsystem 12 erfasst und daraus ein Signal zur automatischen Höhenpositionierung der Abgassonde 8" ermittelt werden.

Im Bereich des Fahrbahnrandes können aber auch mehrere Abgassonden gleichzeitig eingesetzt werden um praktisch alle Auspufflagen gleichzeitig abzudecken. ·· ·· · • · ···· • ·· ····· · • · · · · · M -15- * * • ··· · ·· · • ··· • · • · ··· ···

Beispielhaft seien die drei wichtigsten Bauarten für Auspuffanlagen von LKW genannt, nämlich seitlich, nach unten und Hochauspuff.

Claims

1. ·· ·· · ···· · ···· ····· · ·· · ······ · · ··· • · · · ···· · · · ······ · · ·· * · ··· ··· PATENTANSPRÜCHE Verfahren zur Messung von Abgasbestandteilen in der Abgaswolke von an einer Messvorrichtung vorbeifahrenden Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass am Fahrbahnrand, im Bereich der Fahrbahnoberfläche oder über der Fahrbahn zumindest eine Abgassonde angebracht wird, dass direkt aus der Abgaswolke des vorbeifahrenden Fahrzeugs eine Gasprobe entnommen wird, dass der Volums- oder Gewichtsanteil zumindest einer Abgaskomponente und/oder die Opazität der Abgasprobe gemessen und dem jeweils die Messvorrichtung passierenden Kraftfahrzeug zugeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis Lambda der Abgasprobe gemessen und davon der Grad der Verdünnung der Abgasprobe berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Passieren eines Kraftfahrzeuges optisch, elektronisch, akustisch oder mittels Video-Bildverarbeitung detektiert und das daraus abgeleitete Signal zur Steuerung der Probennahme und/oder für die Zuordnung der Messergebnisse zum jeweiligen Kraftfahrzeug herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug bildgebend, vorzugsweise durch ein Videosystem, erfasst und das Bildsignal dem Messsignal der zumindest einen Abgaskomponente, der Opazität oder des Lambdawertes zugeordnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Videosignal einer Videoanalyse unterzogen und daraus die Art des Kraftfahrzeugs, die Fahrgeschwindigkeit und/oder die Änderung der Fahrgeschwindigkeit ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Abgaswolke mit einem vorzugsweise mehrdimensionalen Wärmebildsystem erfasst und daraus die pro Zeiteinheit emittierte Abgasmenge bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Abgaswolke mit einem Wärmebildsystem erfasst und daraus ein Signal zur automatischen Positionierung der Abgassonde ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand des Motors des Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Wärmesensors erfasst und zur Interpretation der Messergebnisse herangezogen wird.

9. Vorrichtung zur Messung von Abgasbestandteilen in der Abgaswolke (1) von an einer Messvorrichtung (3) vorbeifahrenden Kraftfahrzeugen (2), mit einer Auswerte- und Displayeinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Analyseneinrichtung (4) zur Bestimmung der Volums- oder Gewichtsanteile zumindest einer Abgaskomponente und/oder der Opazität vorgesehen ist, welche mit zumindest einer am Fahrbahnrand (16), im Bereich der Fahrbahnoberfläche (5) oder über der Fahrbahn angeordneten Abgassonde (8, 8', 8") zur Gewinnung einer Abgasprobe direkt aus der Abgaswolke (1) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseneinrichtung (4) eine Einrichtung zur Bestimmung des Luftverhältnisses Lambda der Abgasprobe aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein bildgebendes System (11), vorzugsweise ein Videosystem, vorgesehen ist, dessen Videosignal zur Identifikation des Fahrzeugs (1) und/oder zur Steuerung der Probenentnahme dient.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmebildsystem (12) vorgesehen ist, welches zur Bestimmung der Ausdehnung der Abgaswolke (1) dient.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseneinrichtung (4) elektrooptische oder elektrochemische Sensoren aufweist, welche zur Messung der Volums- oder Gewichtsanteile zumindest einer Abgaskomponente aus der Gruppe C02, CO, HC, ΝΟχ NO, N02 und Rußpartikel sowie zur Messung der Abgastrübung dienen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, vorzugsweise in die Fahrbahnoberfiäche (5) eingelassene, an der Fahrbahnoberfläche (5) oder über der Fahrbahn angeordnete Abgassonde (8,* 8') pro Fahrbahn (6a; 6b) einer mehrspurigen Straße (7) vorgesehen ist.

Dipl.-Ing. Mag. Michael Babelul· A-1150 Wien, Mariahilfer Gürtel 39/17 Tel.: (+43 1) 992 88 33-0 Fax: (+43 1) 892 89 333 iMwall* ö»tBHt<*babelolc.at 2005 05 06 Lu/Ik