DE102017216992B4

DE102017216992B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Schadstoffkonzentration in Abgasen sowie zur Bestimmung von Emissionsmassen in Abgas und Messsystem zur Abgasmessung

Info

Publication number: DE102017216992B4
Application number: DE102017216992.3A
Authority: DE
Inventors: Tugba Eraslan; Janbernd Hentschel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: DE102017216992A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Schadstoffkonzentration in Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Messsystem (10), das zumindest einen Schadstoffkonzentrationsdetektor (16) umfasst, wobei das Messergebnis des Schadstoffkonzentrationsdetektors (16) mit einem Feuchtekorrekturfaktor korrigiert wird, bei dessen Bestimmung eine Kondensation von Wasser in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bei einem Kaltstart berücksichtigt wird, sodass die Messqualität bis zum Ende des Kaltstarts verbessert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Schadstoffkonzentration in Abgasen und ein Messsystem zur Abgasmessung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Emissionsmassen in Abgas einer Verbrennungskraftmaschine.
Um die Konzentration von Schadstoffen in Abgasen zu bestimmen, wird üblicherweise ein Detektor verwendet. Einige Detektoren weisen Querempfindlichkeiten der zu detektierenden Komponente mit Wasser auf, andere hingegen werden aus technischen Gründen bei Temperaturen betrieben, bei denen Wasserdampf kondensiert, welcher dann den Detektor schädigen könnte. Abgase von Verbrennungskraftmaschinen weisen jedoch in der Regel einen Wasseranteil auf, der deshalb aus dem Abgas entfernt wird, bevor das Abgas dem Detektor zugeführt wird. Durch den Wegfall des Wasserdampfanteils ändern sich aber die Konzentrationen der restlichen Abgaskomponenten. Daher werden die Messergebnisse des Detektors mit einem Feuchtekorrekturfaktor korrigiert. Der Feuchtekorrekturfaktor beruht auf dem Wasserstoffgehalt des Kraftstoffs und Konzentrationen der Verbrennungsprodukte. Allerdings beruht diese Methode auf der Annahme, dass der Wasserdampf im Abgas in der Gasphase verbleibt und liefert darum nur dann annähernd genaue Werte, wenn das Abgas und die Abgasanlage so heiß sind, dass das im Abgas enthaltene Wasser nicht auskondensiert. Anderenfalls kann es zu Abweichungen bis zu nahezu 100%, bezogen auf den Feuchteanteil, bzw. bis zu etwa 15%, bezogen auf den Gesamtgasanteil, zwischen der angenommenen Feuchte und der tatsächlichen Feuchte kommen. In diesem Fall werden die Werte der Schadstoffkonzentration durch den Feuchtekorrekturfaktor zusätzlich verfälscht.
Um eine genaue Schadstoffkonzentration berechnen zu können, müsste die wahre Wasserkonzentration im Abgas bestimmt werden. Es sind jedoch derzeit keine Sensoren verfügbar, welche die Feuchtigkeit im geforderten Betriebsbereich und mit der geforderten Genauigkeit messen können.
Die DE 699 17 594 T2 offenbart ein Gasprüfgerät, das die Konzentration von Schadstoffen in Abgas bestimmen kann. Um eine Kondensation von Wasser in einem Probenschlauch des Gasprüfgeräts auszugleichen, wird bei der Auswertung der Messergebnisse ein Wasserdampf-Korrekturfaktor berücksichtigt.
Die DE 10 2006 048 730 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Messungenauigkeit eines Messsystems. Um ein möglichst genaues Messergebnis erreichen zu können, wird eine Feuchtekorrektur vorgenommen, um eine Kondensation von Abgas in einem Gaskühler zu berücksichtigen.
Die DE 10 2007 042 748 A1 betrifft die Berechnung eines Feuchtekorrekturfaktors.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung einer Schadstoffkonzentration in Abgasen und ein verbessertes Messsystem zur Abgasmessung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Schadstoffkonzentration in Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Messsystem, das zumindest einen Schadstoffkonzentrationsdetektor umfasst, wobei das Messergebnis des Schadstoffkonzentrationsdetektors mit einem Feuchtekorrekturfaktor korrigiert wird, bei dessen Bestimmung eine Kondensation von Wasser in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bei einem Kaltstart berücksichtigt wird. Dabei liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung der Messqualität bis zum Ende des Kaltstarts.
Die Berücksichtigung der Kondensation von Wasser bei der Bestimmung des Feuchtekorrekturfaktors hat den Vorteil, dass sofort nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors verlässliche Werte der Schadstoffkonzentration bestimmt werden können. Dadurch können die zu erwartenden Emissionen für Typprüfungen besser vorhergesagt werden, was sich wiederum vorteilhaft auf die Entwicklungs- und Herstellkosten auswirkt.
Ein derartiges Verfahren lässt sich bei mobilen Emissionsmessungen mit Durchflussmessgeräten anwenden, um die Real Drive Emission (RDE) zu ermitteln. Zudem kann das Verfahren bei dynamischen Messungen mit unverdünntem Abgas an Prüfständen für Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden.
Das Verfahren zeichnet sich gemäß einem Aspekt des Weiteren dadurch aus, dass eine Temperatur des Abgases bestimmt wird, insbesondere im Bereich der Messstelle des Schadstoffkonzentrationsdetektors. Mithilfe der Kenntnis über die Abgastemperatur kann die Genauigkeit der Schadstoffkonzentrationsmessung des Schadstoffkonzentrationsdetektors beim Kaltstart deutlich verbessert werden.
Aufgrund der gemessenen Temperatur des Abgases kann die maximale Wasserkonzentration des Abgases bestimmt werden. Diese kann wiederum bei der Bestimmung des Feuchtekorrekturfaktors berücksichtigt werden. Die Berechnung der Wasserkonzentration beruht dabei auf der Abgastemperatur und der Sättigungskonzentration von Wasser bei dieser Temperatur.
Grundsätzlich beruht der Feuchtekorrekturfaktor auf dem Wasserstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffs, insbesondere wobei ein überwiegend auf dem Wasserstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffs beruhender Feuchtekorrekturfaktor aufgrund der berechneten Wasserkonzentration des Abgases korrigiert wird. Insbesondere wird der Feuchtekorrekturfaktur nach unten korrigiert. Es ist also erforderlich, den Wasserstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffs zu kennen, um den Feuchtekorrekturfaktor möglichst genau zu berechnen.
Der Schadstoffkonzentrationsdetektor ist vorzugsweise ausgebildet, eine Schadstoffkonzentration in trockenem Abgas zu messen.
Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein erfindungsgemäßes Messsystem zur Abgasmessung, aufweisend einen Schadstoffkonzentrationsdetektor zur Messung einer Schadstoffkonzentration in einem Abgas, einen Temperatursensor zur Messung der Abgastemperatur und eine Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, die von dem Schadstoffkonzentrationsdetektor gemessenen Werte mit einem Feuchtekorrekturfaktor zu korrigieren, und wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, den Feuchtekorrekturfaktor unter Berücksichtigung einer Kondensation von Wasser in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bei einem Kaltstart zu bestimmen, sodass die Messqualität bis zum Ende des Kaltstarts verbessert ist.
Ein derartiges Messsystem bietet genau wie das Verfahren den Vorteil, dass mit dem Messsystem sofort nach dem Start des Kraftfahrzeugs verlässliche Werte der Schadstoffkonzentration bestimmt werden können.
Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise mit dem Temperatursensor gekoppelt, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die gemessene Temperatur des Abgases auszuwerten, um eine maximale Wasserkonzentration des Abgases zu bestimmen. Durch die Kopplung mit dem Temperatursensor stehen der Auswerteeinheit immer die aktuellen Temperaturmesswerte zur Verfügung, sodass der berechnete Feuchtekorrekturfaktor zu jeder Zeit auf den aktuell gemessenen Werten beruht. Die Genauigkeit Schadstoffbestimmung ist dadurch besonders hoch.
Das Messsystem kann ein Portable-Emission-Measurement-System (PEMS) oder ein Prüfstand für Verbrennungskraftmaschinen sein. Mit einem PEMS können Abgasmessungen unter Realbedingungen stattfinden, während am Prüfstand bereits zu Beginn des Entwicklungsprozesses eines Antriebssystems Messungen stattfinden können.
Ferner ist ein Verfahren zur Bestimmung von Emissionsmassen in Abgas einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, bei dem zunächst die Schadstoffkonzentration in Abgas mittels eines zuvor genannten Verfahrens durchgeführt wird, wobei ein Gesamtmassenstrom des Abgases berücksichtigt wird, um die Emissionsmassen des Abgases zu bestimmen. Mithilfe des bereits erläuterten Verfahrens lässt sich die Schadstoffkonzentration in Abgas beim Kaltstart sehr genau bestimmen, wobei die ermittelte Schadstoffkonzentration mit einem gemessenen Gesamtmassenstrom in Bezug gesetzt wird, um die Emissionsmassen zu bestimmen.
Das Messsystem ist insbesondere eingerichtet, um ein wie vorhergehend beschriebenes Verfahren durchzuführen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Figuren zeigen:

- 1 den Verlauf des Feuchtekorrekturfaktors über die Zeit,
- 2 den Verlauf der Wasserkonzentration über die Zeit, und
- 3 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Messsystem.

1 zeigt ein Diagramm, in dem der Verlauf verschiedener Feuchtekorrekturfaktoren über die Zeit dargestellt ist. Dabei soll der Feuchtekorrekturfaktor im Bereich zwischen 0 und 250 Sekunden nach dem Start eines Motors genauer betrachtet werden. In dieser Zeitspanne kommt es nach dem Kaltstart eines Motors vermehrt zur Kondensation von Wasser.
Eine graue, durchgezogene Kurve zeigt den Verlauf eines idealen Feuchtekorrekturfaktors, der auf der tatsächlichen Wasserkonzentration im Abgas beruht, also basierend auf der realen Feuchte. Die durchgezogene schwarze Kurve stellt den Verlauf eines Feuchtekorrekturfaktors dar, der allein aus der Verbrennungsstöchiometrie berechnet wird und welcher der gesetzlich gemachten Vorgabe folgt. Die graue gepunktete Kurve stellt den Verlauf des optimierten Feuchtekorrekturfaktors dar, der gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet wurde. Dabei ist zu erkennen, dass der Verlauf des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Feuchtekorrekturfaktors deutlich besser mit dem idealen Feuchtekorrekturfaktor übereinstimmt als der nach den gesetzlichen Vorgaben ermittelte Feuchtekorrekturfaktor.
2 zeigt ein weiteres Diagramm, in dem der Verlauf der Wasserkonzentration des Abgases dargestellt ist.
Die durchgezogene graue Kurve stellt dabei die reale Feuchte im Abgas dar. Die durchgezogene schwarze Kurve zeigt die von der gesetzlichen Feuchtekorrektur theoretisch abgeleitete Wasserkonzentration. Die graue gepunktete Kurve zeigt die Wasserkonzentration, die unter Berücksichtigung der Kondensation beim Kaltstart ermittelt wurde. Auch hier zeigt sich ganz deutlich, dass die Wasserkonzentration, die unter Berücksichtigung der Kondensation beim Kaltstart ermittelt wurde, wesentlich besser mit der realen Wasserkonzentration übereinstimmt als die Wasserkonzentration, die nach den gesetzlichen Vorgaben hergeleitet wurde.
3 zeigt schematisch ein Messsystem 10 für ein Kraftfahrzeug 12 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Das Messsystem 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an eine Abgasanlage 14 eines Kraftfahrzeugs 12 angeschlossen. Es handelt sich dabei um ein Portable-Emission-Measurement-System (PEMS). Das erfindungsgemäße Messsystem 10 ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Das Messsystem 10 könnte auch direkt in das Abgassystem des Kraftfahrzeugs 12 integriert sein. Des Weiteren könnte das Messsystem 10 ein Prüfstand für Verbrennungskraftmaschinen sein.
Das Messsystem 10 umfasst einen Schadstoffkonzentrationsdetektor 16 zur Messung einer Schadstoffkonzentration in einem vom Kraftfahrzeug 12 ausgestoßenen Abgas. Das Messsystem 10 weist außerdem einen Temperatursensor 18 zur Messung der Abgastemperatur und eine Auswerteeinheit 20 auf.
Der Schadstoffkonzentrationsdetektor 16 ist derart ausgebildet, dass er die Schadstoffkonzentration in trockenem Abgas ohne große Abweichungen bestimmen kann. Zur Vermessung von feuchten Abgasen ist dem Schadstoffkonzentrationsdetektor 16 ein Trocknungselement vorgeschaltet werden. Zur korrekten Bestimmung der Schadstoffkonzentration in feuchtem Abgas muss das Messergebnis des Schadstoffkonzentrationsdetektors 16 mit einem Feuchtekorrekturfaktor korrigiert werden.
Der Feuchtekorrekturfaktor wird mithilfe des Temperatursensors 18 und der Auswerteeinheit 20 bestimmt. Dabei wird auch die theoretische Feuchte berücksichtigt, die entweder aus dem Messergebnis selbst berechnet wird oder auf anderem Wege zur Verfügung gestellt wird, beispielsweise aus der Motorsteuerung ausgelesen wird.
Der Temperatursensor 18 ist ausgebildet, um eine Temperatur des Abgases zu messen. Dabei ist der Temperatursensor 18 im Bereich der Messstelle des Schadstoffkonzentrationsdetektors 16 angeordnet, sodass der Temperatursensor 18 Aufschluss darüber liefert, wie hoch die Temperatur des von dem Schadstoffkonzentrationsdetektor 20 gemessenen Abgases ist. Der Schadstoffkonzentrationsdetektor 16 kann über eine beheizte Leitung angebunden sein, durch die ein Teil des Abgases entnommen wird und dem Schadstoffkonzentrationsdetektor 16 zugeführt wird. Die Temperaturbestimmung erfolgt dabei an der Stelle, an der eine Gasprobe aus einem Hauptabgasstrom entnommen wird.
Die Auswerteeinheit 20 ist mit dem Temperatursensor 18 gekoppelt, und zwar derart, dass die Werte der vom Temperatursensor 18 gemessenen Temperatur an die Auswerteeinheit 20 übermittelt werden. Die Auswerteeinheit 20 kann die gemessene Temperatur des Abgases auswerten, um basierend auf der gemessenen Temperatur und dem Dampfdruck von Wasser eine maximale Wasserkonzentration des Abgases zu bestimmen.
Außerdem korrigiert die Auswerteeinheit 20 die vom Schadstoffkonzentrationsdetektor 16 gemessenen Werte mit einem Feuchtekorrekturfaktor. Der Feuchtekorrekturfaktor wird von der Auswerteeinheit 20 unter Berücksichtigung einer Kondensation von Wasser bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs 12 bestimmt, insbesondere unter Berücksichtigung der maximalen Wasserkonzentration des Abgases.
Der Feuchtekorrekturfaktor beruht dabei auf dem Wasserstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffs. Insofern wird ein überwiegend auf dem Wasserstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffs beruhender Feuchtekorrekturfaktor aufgrund der berechneten Wasserkonzentration des Abgases korrigiert.
Ferner lassen sich aus der ermittelten Schadstoffkonzentration im Abgas die entsprechenden Emissionsmassen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine bestimmen. Zur Bestimmung der Emissionsmassen im Abgas werden die Schadstoffkonzentration und ein Gesamtmassenstrom des Abgases herangezogen. Der Gesamtmassenstrom kann über einen entsprechenden Sensor ermittelt werden, der Teil des Messsystems 10 ist, sodass das Messsystem 10 in der Lage ist, die Emissionsmassen im Abgas selbsttätig zu ermitteln.
Alternativ kann der Gesamtmassenstrom von einer anderen Baugruppe als Größe erhalten werden, um aus dieser Größe zusammen mit der ermittelten Schadstoffkonzentration die Emissionsmassen im Abgas zu bestimmen.
Aufgrund der verbesserten Bestimmung der Schadstoffkonzentration in Abgas beim Kaltstart lassen sich so auch die Emissionsmassen im Abgas entsprechend genauer bestimmen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Schadstoffkonzentration in Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Messsystem (10), das zumindest einen Schadstoffkonzentrationsdetektor (16) umfasst, wobei das Messergebnis des Schadstoffkonzentrationsdetektors (16) mit einem Feuchtekorrekturfaktor korrigiert wird, bei dessen Bestimmung eine Kondensation von Wasser in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bei einem Kaltstart berücksichtigt wird, sodass die Messqualität bis zum Ende des Kaltstarts verbessert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Abgases gemessen wird, insbesondere im Bereich der Messstelle des Schadstoffkonzentrationsdetektors (16).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der gemessenen Temperatur des Abgases die maximale Wasserkonzentration des Abgases bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Wasserkonzentration bei der Bestimmung des Feuchtekorrekturfaktors berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtekorrekturfaktor auf dem Wasserstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffs beruht, insbesondere wobei ein überwiegend auf dem Wasserstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffs beruhender Feuchtekorrekturfaktor aufgrund der berechneten Wasserkonzentration des Abgases korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schadstoffkonzentrationsdetektor (16) ausgebildet ist, eine Schadstoffkonzentration in trockenem Abgas zu messen.
Messsystem (10) zur Abgasmessung, aufweisend einen Schadstoffkonzentrationsdetektor (16) zur Messung einer Schadstoffkonzentration in einem Abgas, einen Temperatursensor (18) zur Messung der Abgastemperatur und eine Auswerteeinheit (20), wobei die Auswerteeinheit (20) ausgebildet ist, die von dem Schadstoffkonzentrationsdetektor (16) gemessenen Werte mit einem Feuchtekorrekturfaktor zu korrigieren, und wobei die Auswerteeinheit (20) ausgebildet ist, den Feuchtekorrekturfaktor unter Berücksichtigung einer Kondensation von Wasser in einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bei einem Kaltstart zu bestimmen, sodass die Messqualität bis zum Ende des Kaltstarts verbessert ist.
Messsystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20) mit dem Temperatursensor (18) gekoppelt ist, wobei die Auswerteeinheit (20) eingerichtet ist, die gemessene Temperatur des Abgases auszuwerten, um eine maximale Wasserkonzentration des Abgases zu bestimmen.
Messsystem (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (10) ein Portable-Emission-Measurement-System (PEMS) oder ein Prüfstand für Verbrennungskraftmaschinen ist.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (10) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Verfahren zur Bestimmung von Emissionsmassen in Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem zunächst die Schadstoffkonzentration in Abgas gemäß einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird, wobei ein Gesamtmassenstrom des Abgases berücksichtigt wird, um die Emissionsmassen des Abgases zu bestimmen.