CN103764965A

CN103764965A - 用于测定内燃机的废气中的颗粒数目的方法

Info

Publication number: CN103764965A
Application number: CN201280041533.3A
Authority: CN
Inventors: E·席费尔; A·伯格曼
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2014-04-30
Also published as: WO2013010703A1; AT509667B1; AT509667A3; AT509667A2; EP2734717A1; KR101584461B1; JP2014526043A; EP2734717B1; KR20140036033A; US20140311216A1

Abstract

在一种用于测定内燃机的废气中的颗粒数目的方法中，测定表征颗粒数量特性的参量，例如形式为过滤器黑化或确定浓度，其中，还测量废气的吸收时间或吸收体积，并且必要时由特征参量和吸收时间或吸收体积通过第一换算函数计算黑化值，由特征参量、吸收时间或吸收量和第一换算函数的数据通过第二换算函数测定颗粒数目。现在为了能实现将分析可能性扩展出关于颗粒数目的结论，附加地测定在过滤器上的压力情况，并且由此通过第三换算函数和由颗粒数量确定平均颗粒直径，并且由特征参量、吸收时间或吸收体积、第一换算函数的数据并且由所确定的平均颗粒直径在借助于不同的中间计算过程和换算函数的情况下通过一个第四换算函数测定颗粒数目，所述中间计算过程和所述换算函数都能组合成共同的这个第四函数。

Description

用于测定内燃机的废气中的颗粒数目的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测定内燃机的废气中的颗粒数目的方法，其中，测定表征颗粒数量特征的参量、例如形式为过滤器的黑化或确定浓度，其中，还测量废气的吸收时间或吸收体积，并且必要时由特征参量和吸收时间或吸收体积通过第一换算函数计算黑化值，由特征参量、吸收时间或吸收体积和第一换算函数的数据通过第二换算函数测定颗粒数目。

背景技术

这种方法应用于炭黑颗粒测量用的测量仪器中，但主要并不仅用于测量爆发引擎的炭黑颗粒排放。除了黑化值（Filter Smoke Number（滤纸烟度数）FSN）之外，在此也可以给出单位为mg/m³的浓度值。如在AT 6349U1中所描述的那样，附加地也可以测定平均颗粒直径并且将其提供用于进一步计算。

在DE 102006024089 A1中公开了一种用于确定排气系中的炭黑颗粒过滤器的装载状态的方法。附加于在颗粒过滤器上的压力损耗，也还测量参考分量并且建立第一校准函数和第二校准函数。DE102006041478 A1又描述了一种用于测定在内燃机的废气中的炭黑浓度的方法，其中，积累式颗粒传感器确定炭黑浓度并且传感器信号借助于预定的修正、如例如温度被补偿。

发明内容

现在本发明的任务在于，改善开头所描述的方法的分析可能性。

为了解决该任务，本发明的特征在于，附加地测定过滤器上的压力情况，并且由此通过第三换算函数和由颗粒数量来确定平均颗粒直径，并且由特征参量、吸收时间或吸收体积、第一换算函数的数据和由所确定的平均颗粒直径在借助不同的中间计算过程和换算函数的情况下通过一个第四换算函数测定颗粒数目，所述中间计算过程和所述换算函数都能组合为共同的这个第四函数。

对典型的颗粒排放总体，或多或少能良好地通过平均颗粒直径的恒定因数来描述颗粒尺寸在平均颗粒直径附近的分布函数的半值宽度。在使用这些数据的情况下，以此能够由过滤器纸的滤纸黑化、所测得的平均直径并且利用颗粒分布的半值宽度的值同样来估计或计算颗粒数目的值，该值被用于使颗粒数目计算精确化，或者也作为单独的测量值或估计值给出。已确定的是，颗粒数目与颗粒浓度之间存在相关性，尤其是在测量涉及固体颗粒的总排放、尤其是废气颗粒的碳成分的总排放时。这点尤其是尽管或尤其是即使颗粒从“形成”的时刻直到测量浓度和颗粒数目的时刻的滞留持续时间处于大约1秒或更大（但至少大于0.1秒）的范围内时也适用。因为用于炭黑颗粒测量的许多仪器通过颗粒在过滤器纸上的沉积和积聚来积分地获得测量参量（FSN或mg/m³），这意味着：颗粒的“滞留持续时间”在积聚的角度来看总是可被视为比该“大约1秒”大非常多。这尤其是对于如下情况适用，即，在一次或多次测量上的测量值被积分并且对测量数据进行总和分析。

这种测量例如可以这样进行，使得由不同测试点测得的滤纸黑化的值和所属的测量时间借助于不同的周期数据被加权并且求和，并且总积分作为“周期”重要的测量值（单位为mg/测试和/或数目/测试）来给出。滤纸黑化的求和在此必须通过绕开“浓度值”来进行，因为该关系非线性地变化。备选地，“值的求和”可以通过能由滤纸黑化计算的面积浓度（单位为mg/m²）或通过体积浓度（单位为mg/m³）单独地进行。关系“x/测试”意味着，参考量可以仅为mg的，或mg/m³的废气，或者可以是mg/功率或mg/km或mg/英里…并且可以是等效的“颗粒数目”/测试。

根据本发明的一种有利的变型方案，本方法如下地扩展，即，选择至少0.1秒、优选至少1秒的吸收时间。

根据本发明的另一种实施形式规定，由确定的平均颗粒直径和恒定的因数确定颗粒尺寸在该平均颗粒直径附近的分布函数的半值宽度，并且由特征参量、确定的平均直径和半值宽度的值确定颗粒数目。

本发明的另一种实施形式的特征在于，相继地实施多次测量，所测定的颗粒数量根据其相应的吸收时间、吸收体积或者吸收长度而加权地求和或积分，并且由这些被加权求和的值测定积分的颗粒数目。

有利地，附加于所给出的特征，确定总测试体积，积累与预定的权重因数成比例的体积流并且由此确定颗粒的数量和数目，并且在考虑相应吸收体积与总测试体积之间的关系的情况下测定颗粒的积分的数量和数目，其中，优选的是，通过测量仪器的过滤器纸吸收的废气的体积流与权重因数成比例地调整或调节，并且由此与权重因数相应的废气量通过过滤器纸被吸收。

根据本发明的另一种可选的特征规定，相继地实施多次测量，测定每次测量的颗粒的数量和数目，并且计算平均值和所属的测量值不精确度或者说测量值不确定性。

本发明的另一种变型方案于是特征在于，在采样位置处的废气温度和/或废气从颗粒形成位置直到采样位置的平均滞留持续时间考虑到计算中。如已确定的那样，在采样部位处的废气温度用于改善和优化颗粒数目与由FSN值得到的浓度测量之间的相关性。

根据按本发明的方法的另一种实施形式规定，所述第二换算函数以双对数图并在非常小的直至每个测试大约10¹⁴个颗粒的范围内表征颗粒质量与颗粒数目之间的线性关系，在颗粒数目进一步提高时然后转变成一反函数。

在此，优选地可以规定，所述第二换算函数在每个测试的颗粒数目为大约2×10¹⁴到5×10¹⁴时具有峰值。

附图说明

以下应参照实施例和具体的应用更为详细地阐述本发明。附图在此示出了颗粒质量/测试、颗粒质量/kWh、颗粒质量/km和固体颗粒数目/测试、/km或/kWh之间的关系。

具体实施方式

根据本发明的方法的一种优选的应用是测量和估计内燃机、尤其是柴油机的废气中的颗粒数目。测量例如利用传统的“烟度计”来进行，在该烟度计中通常存储有由滤纸黑化和吸收时间或吸收体积到FSN值和/或浓度值的换算函数，如例如在EP0357668中所描述的那样。

颗粒数目计算借助于如下函数来进行：该函数例如可以以Y=1/(A+B/x)的方式来表示，其中，这里x为颗粒的浓度、单位为mg/m³，而Y为颗粒数目/m³。这样的函数通常在确定的浓度范围内有效。浓度可以如所述地利用烟度计或任意其他方法、例如在重量上来利用过滤器测量和称重来测量。在烟度计的情况下，样本体积被确定并且被过滤器纸吸收。装载有炭黑的过滤器纸被照射，过滤器装载量通过测量所反射的光来确定。

在过滤器纸上所积累的颗粒的所测得的炭黑颗粒浓度Pk（单位为μg/m³）例如可以通过如下形式的公式来计算，

Pk=Konz*1000 单位为μg/m³ (1)

其中，利用Konz=颗粒浓度（单位mg/m³）来表示。公式1中的Konz（单位为mg/m³）的值在此例如借助于烟度计AT1240D的手册第7版，2007年5月，第13.5章中的或在发动机技术杂志（Motortechnische Zeitschrift）54，第16-22页，1993年中的公式由炭黑值FSN来计算、或直接测量。

在对本方法的扩展方案中，可以通过另外的对应的函数由滤纸黑化、吸收时间或吸收体积和第一函数的数据附加地也确定颗粒数目，所基于的是，利用烟度计隐含地也确定颗粒的平均直径并且颗粒排放在确定带宽内满足对数正态分布。在该分布内所有颗粒的质量总和又通过值x由上述公式给定。在或者假设分布函数的半值宽度固定的情况下，与x的值一起仅有一种解，其中所假设的分布的单个颗粒总和的质量在平均直径（在示意图中在50nm处）给定的情况下得到质量x。

根据源头和颗粒类型（例如在柴油机废气、汽油机废气、重油的废气等中的炭黑），颗粒数目分布的半值宽度是平均颗粒直径的函数或也为或多或少恒定的值大小。最终，不同的方法实施，一起分析并且通过总函数然后以提高的精度和可靠性来计算平均颗粒数目。

为了提高精确度，还可以使用颗粒尺寸、优选为平均颗粒直径（Dmm）（其例如可根据AT6349U1来确定）作为计算颗粒数目的附加参数，并且为了进一步改善有效性也可以将采样位置处的废气温度一同考虑到计算中。

例如测量仪器本身为此可以这样调整，使得测量总是全自动地进行直到在测量过滤器上达到预定压差。当选择为100mbar作为压差时，例如可以根据AT 6349 U1中所示的关系来计算所属的平均颗粒直径。其余的特征参量如过滤器装载、滤纸黑化、吸收体积以及浓度和/或FSN的计算可以在该点处按标准方式来检测。

在假设使用100mbar作为负压的阈值的情况下，其中，中断测量，存储值/数据，则将得到如下函数关系：

Dmm=1.1246×10^-03x²+2.1428×10^-01x+4.0815×10⁺⁰¹，（2）

其中，x=过滤器滤纸的面积装载量，单位为mg/m²。

函数参数可以根据设置和所使用的过滤器纸和在过滤器纸上限定的压差相应地变化。

为了改善有效性可以考虑到本方法中的另一参数是废气从形成位置、例如发动机的排出阀直到用于颗粒计数（由FSN和附加的函数）的采样位置的平均滞留持续时间。在此，该滞留持续时间可以由废气的质量流和排气体积来计算，或也由排气体积、排量、转速、排气管中的压力和温度或也通过其他等效方法来获得，其中，可以输入或估计或测量所述值。

在需要时，也可以相继地实施多次测量。在该情况下，由PS和吸收体积（或吸收时间）的测量值计算相应的每m³的浓度并且根据其相应的吸收时间（或体积或者吸收长度）对其加权地求和（或积分）。由这些加权地求和的值于是可以计算单位为mg/m³的积分浓度或单位为N/m³的颗粒数目N。备选于此地，平均值和所属的测量值不精确度或者说测量值不确定性也可以由多次测量来计算，以及由“在一个测量系列内的随时间的变化过程”的各个测量值来示出。在两种情况下有利的是，一方面PS的多个测量值和吸收体积（吸收时间）不仅被暂存而且被积分/求和并且积分地分析，或者也由PS的各个测量值和吸收体积分别计算单位为mg/m³的浓度或单位为N/m³的颗粒数目。由PS的数据和吸收体积（吸收时间）也可以计算浓度的和/或颗粒数目的积分的总和值，该总和值可以与测量值不确定性相关联，所述测量值不确定性一方面由测量仪器内部的零点稳定性和测量值不精确性本身产生。

另一方面，附加地可以获得在测试过程期间测量值的动态变化，该动态变化可以提供关于随时间的变化的信息并且该动态变化的“动态或准动态的”精度一方面必须满足单次测量的统计并且附加地也必须满足积分的测量值的内部测量值可再现性，并且其总精度因此必须满足所有上面提到的条件，由此可以获得对测量值可再现性的附加改善。

为了测量多个排放周期的内燃机废气中的颗粒数目也可以考虑本方法的一种变型方案。该变型方案规定，在不同测试点处所测得的滤纸黑化值和所属的测量时间被暂存。在进一步的次序中，使用存储在烟度计中的由滤纸黑化和吸收时间或吸收体积到FSN值的换算函数，以便由滤纸黑化的这些测量数据和测量时间（吸收时间和/或吸收体积）来计算各个点的浓度。借助于预给定的静态或动态周期的数据，这些值于是可以在时间上加权地积分（或等效地求和）。由此例如可以测定周期积分的测量值（单位为mg颗粒/测试或者FSN/测试），或可以在使用已在基本实施形式中所规定的另外的换算函数由滤纸黑化、吸收时间或吸收体积和由FSN或mg/测试的数据也计算颗粒数目/测试。

在此，唯一一张过滤器纸上的多个不同测量点的颗粒测量值可以求和，其中，存在如下可能性：在每个单独的测量值时与限定的测量周期的权重因数成比例地选择颗粒在过滤器纸上“积聚”的滞留持续时间。为了避免在积聚颗粒期间进纸的必要性，积累可以通过对仪器中所使用的泵的接通/关断控制来进行。在该测试模式中的中断和进纸只有当其出于测量技术的精度原因而需要时才设置。

在本方法变型方案中，吸收长度由所有为在过滤器上积聚颗粒而产生的体积来计算，并且滤纸黑化的积分地产生的总和用于计算其他数据。这样，例如可以由滤纸黑化和吸收长度计算积分的质量装载，由该质量装载然后进一步（如上面所阐述的那样）计算颗粒数目。在此，在需要时可以使用前面已经讨论的附加值来改善结果。权重因数可以是自身选择的参数或者由法律上规定的静态或动态测试周期产生。

针对过滤器强烈装载颗粒的情况（其中测量必须提前中断），有利地暂存体积测量值和所属的滤纸黑化和其余数据。在进纸而不冲洗采样管路之后，然后如上面所述的那样进一步加权地积聚周期的其他部分。在需要时，还可能进行另外的进纸连同暂存数据。已在测量期间或在测试/测量周期结束时，于是才将各个结果与吸收长度或吸收体积一同从滤纸黑化换算成mg/m³。在此，也可以进行根据积分的各个吸收体积所加权的且经积分的质量确定。最后，由所述数据可以以单位mg（质量）/测试或如再上面所阐述的那样以颗粒数目/测试地给出周期排放。

有利地，借助于被调节转速的泵进行颗粒在过滤器上积累，所述泵将测量气体抽送通过过滤器，其中，通过该泵的体积流直接与废气质量流成比例地调节。通过过滤器借助于泵调节的体积流优选总是参照FSN或者说在100kPa和25℃（298°K）下mg/m³的内部标准化值。在静态周期中，权重因数要么在最终计算中被一同考虑要么备选于此地作为与体积成比例的因数被一同考虑。有利地，被调节转速的泵优选在测量动态行驶周期时被使用。

原则上，当通过这里所介绍的措施、例如颗粒尺寸和/或通过温度测量或滞留持续时间的测量可获得附加信息时，本方法普遍地也可以用于由浓度值来计算颗粒数目。在排放非常低的情况下，这些排放在使用颗粒过滤器的情况下处于1μg炭黑颗粒成分/m³的范围内（或者10¹¹个颗粒/m³的范围内），因此要考虑，使所使用的测量系统的测量时间变大。为了尽可能绕开这点，许多测量仪器也提供了如下可能性：将滤纸黑化的所测得的值和相应所测得的体积求和并且由该积分值计算浓度、FSN值和颗粒数目。

在需要时，备选地也可能的是，将在单个测试点处所测得的、包括滤纸黑化和测量时间（或者测量体积）的单个值加权并且模拟整个周期的测量值，将其相应的值求和或积分。由此产生如下可能性：又计算一个或多个测量值（单位为mg/测试或FSN/测试或颗粒数目/测试）。

在表1中示出了对此的示例。该表1示例性地示出了浓度的结果，这些结果可以由一个测试过程的各个测量和滤纸黑化和吸收长度的所获得的原始数据测量值和由此产生的浓度来计算。表1中的权重因数这里已换算到与m³等效的（权重）量纲。

第9列中的总和值在所示的示例中具有mg/测试的量纲，在第9列中由该总和计算的数目N具有数目/测试的量纲。这里要明确提及的是，当由这种经加权的总和得到单位为mg/测试、mg/km、mg/kWh的值时在第9列中的这种公式计算也适用。由此借助于给定的公式能等效地计算单位为个/测试、个/km或个/kWh的数目值。

在第8列中已示出，当由各个未加权的浓度值计算的颗粒数目被加权并且由此计算数目/测试时得出何种值。这里要提及的是，该计算在数学上并不完全精确，因为在数目与质量之间的关系是非线性的。

在第10列中计算对于如下情况的结果，即，周期的颗粒数目的总和由各个测试部分的经加权的质量作为浓度*权重来计算。第10列中的N的总和结果按照期望地大致（但并不完全）等于第9列或者第8列中的N的结果。表1a示出了在使用表2的为43.33m³的总体积流的情况下的计算结果。

在考虑到不同算法的情况下得到，在大约43m³的废气测试体积的情况下在单个值中当单个测试的单位为mg/m³的测量结果相同（表1的第5列）时，每个测试的颗粒数目位于1.4*10^14至1.82*10^14（1.6e14±15%）的范围内，而在废气测试体积为1m³（表1）的情况下得到4.2*10¹²至4.7*10¹²个颗粒/测试的结果的带宽。

针对由表1和1a的单位为mg/m³或mg/测试的浓度值计算数目/测试，使用了如下函数：

颗粒数目/测试=Y

颗粒浓度（单位为mg）/测试=x

Y=l/(a+b/x)

其中，对于直到100mg/测试的范围内的浓度值，a=l.71×10^-15；b=2.14×10^-13。

系数a的变化带宽为给定值的大约±20%，对于b为给定值的大约±5%。

备选地，对于较高的浓度也可以使用如下函数：

Y=(4*a/x^(c+l)*b^(c+l)*c²)/(c-l+c*x^(-c)*b^c+x^(-c)*b^c)²

其中，对于从0直至＞2000mg/测试的范围内的浓度值，a=2.50E+14 b=100 c=2。

所给出的权重因数总是参照测试周期部分并且包含所输送的废气量或废气质量。“所有权重因数总和”总是归一化到1。对于这种权重的计算在如下的表2中给出了一个示例：

表2：

单位为kg/h的质量流是发动机的质量流，该质量流在1小时固定速度行驶的情况下在该测试点处得到。周期权重因数单独地选择或者通过法律的规定、标准或规则来预定。该值可以被用作与时间成比例的值。

每个测试部分的经加权的质量=质量流（单位为kg/h）*权重因数(单位为h)。

经加权的测试体积如下地得到：经加权的质量换算到测量仪器在100kPa和25℃下的密度标准值。（单位为kg的质量/单位为kg/m³的密度得到经加权的、单位为m³的测试体积）。这里，第7列中的权重因数本身作为测试的经加权的体积（单位为m³）除以单个测试的所有经加权的体积总和来得到。所有值的总和为1。量纲为m³。

在应对在唯一一张过滤器纸上进行所有颗粒测量和在离散的静态测量点处进行测量的情况下，给出两个不同的实施可能性。一方面，总测试体积例如20升可以被定义为总吸收体积，并且与权重因数（例如根据表1或2中第7列）成比例的体积流通过过滤器纸被积累。由此利用过滤器纸来测量地得到颗粒的质量和数目。在考虑到通过过滤值的吸收体积与在测试上总吸收体积之间的关系的情况下，由此得到mg/测试或颗粒数目/测试。

在上面的示例中，例如在表1中第9和10列所示的质量和数目参照1m³的体积。当总体积流如在表2中所示的那样为43.33m³时，正确的权重值直接是表2中第6列所说明的体积值。通过非线性关系于是在发动机在整个周期中的体积流为43.33m³的情况下并且在使用表1的第7列中的权重因数的情况下得到表1a中所示的值。备选地，加权也可以通过如下方式进行：与权重因数成比例地调整或调节测量气体通过过滤器纸的体积流，并且由此通过过滤器纸吸收与相应的权重因数成比例的废气量。

对于应积分地通过过滤器纸一同测量动态行驶周期的情况，只能选择最后所描述的方式，其中，在该情况下与所测得的废气量成比例地调整通过过滤器纸的体积流。优选地，在此应通过与废气质量流成比例的信号借助于可调节的泵或者质量通流调节器来调整体积流。颗粒质量/测试、颗粒质量/kWh、颗粒质量/km与固体颗粒数目/测量、/km或/kWh之间的关系在附图中作为示意图示出。颗粒在此指的仅是由“固体碳”组成的颗粒。

上述调节方法也可以使用用于温度和压力的其他参考量，不过则必须实施非线性的换算来正确换算参数。

Claims

1.用于测定内燃机的废气中的颗粒数目的方法，其中，测定表征颗粒数量特征的参量，例如形式为过滤器黑化或确定浓度，其中，还测量废气的吸收时间或吸收体积，并且必要时由特征参量和吸收时间或吸收体积通过第一换算函数计算黑化值，由特征参量、吸收时间或吸收体积和第一换算函数的数据通过第二换算函数测定颗粒数目，其特征在于，附加地测定在过滤器上的压力情况，并且由此通过第三换算函数和由颗粒数量确定平均颗粒直径，并且由特征参量、吸收时间或吸收体积、第一换算函数的数据和由所确定的平均颗粒直径在借助于不同的中间计算过程和换算函数的情况下通过一个第四换算函数测定颗粒数目，所述中间计算过程和所述换算函数都能组合成共同的这个第四函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择至少0.1秒、优选至少1秒的吸收时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所确定的平均颗粒直径和恒定的因数确定颗粒尺寸在该平均颗粒直径附近的分布函数的半值宽度，并且由特征参量、所确定的平均直径和半值宽度的值确定颗粒数目。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，相继地实施多次测量，所测定的颗粒数量根据其相应的吸收时间、吸收体积或吸收长度而加权地求和或者积分，并且由这些经加权的求和的值测定积分的颗粒数目。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，附加于所给出的特征确定总测试体积，积累与预定的权重因数成比例的体积流并且由此确定颗粒的数量和数目，并且在考虑相应吸收体积与总测试体积之间的关系的情况下测定颗粒的积分的数量和数目，其中，优选的是，通过测量仪器的过滤器纸吸收的废气的体积流与权重因数成比例地调整或调节，并且由此与权重因数相符的废气量通过这些过滤器纸被吸收。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，相继地实施多次测量，测定每次测量的颗粒的数量和数目，并且计算平均值和所属的测量值不精确度或者说测量值不确定性。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在采样位置处的废气温度和/或废气从颗粒形成位置直到采样位置的平均滞留持续时间考虑到计算中。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，所述第二换算函数以双对数图并在非常小的直至每个测试大约10¹⁴个颗粒的范围内表征在颗粒质量与颗粒数目之间的线性关系，在颗粒数目进一步提高时然后转变成一反函数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二换算函数在每个测试的颗粒数目为大约2×10¹⁴到5×10¹⁴时具有峰值。