DE19617160C1

DE19617160C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgaspartikel-Messung

Info

Publication number: DE19617160C1
Application number: DE1996117160
Authority: DE
Inventors: Hans-Josef Decker; Holger Stoering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2016-04-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des An spruchs 4.

Aus der DE 40 17 473 A1 ist es bekannt, zur Abgaspartikel- Messung das Abgas eines Kraftfahrzeuges in einem Verdünnungs tunnel mit Verdünnungsluft zu mischen und aus dem so gebilde ten Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch über eine Entnahmesonde ei nen Teilgasstrom zu entnehmen und einem Partikelfilter zuzu führen. Dabei wird der Teilgasstrom mittels einer dem Par tikelfilter nachgeordneten Absaugvorrichtung auf einen kon stanten und damit von der Beladung des Partikelfilters und seinem daraus resultierenden Strömungswiderstand unabhängigen Durchflußwert geregelt. Der Partikelanteil im Abgas wird über die Gewichtszunahme des Partikelfilters nach dem Meßvorgang ermittelt.

Aus der EP 0 596 201 A2 ist ein Verfahren zur Abgasmessung bekannt, bei dem ebenfalls das Abgas mit Verdünnungsluft ge mischt wird und dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch ein zu un tersuchender Teilgasstrom entnommen wird. Davon ausgehend, daß sich zum einen bei der Prüfung von Fahrzyklen bei Kraft fahrzeugen ständig die Verhältnisse zwischen Abgas und Ver dünnungsluft ändern und zum anderen aufgrund des zunehmend geringeren Schadstoffausstoßes moderner Kraftfahrzeuge der Schadstoffnachweis in dem entnommenen Teilgasstrom des Abgas- Verdünnungsluft-Gemischs immer schwieriger wird, wird die Ge samtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs mittels einer kritischen Düse mit veränderbarem Querschnitt in der Weise geregelt, daß das Verdünnungsverhältnis des Abgases quasi konstant bleibt.

Wie bei der Analyse von gasförmigen Schadstoffen, ergibt sich auch bei festen Abgaspartikeln das Problem des exakten Nach weises, da z. B. moderne Dieselmotoren immer weniger Ruß partikel emittieren. Die Gewichtszunahme der zur Abgas partikel-Messung verwendeten Partikelfilter ist während eines Meßvorganges so gering, daß die Nachweisgrenze erreicht wird und damit aufgrund von Toleranzen des Meßmittels die Nach weisungenauigkeit immer höher wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit geringem Schadstoffausstoß, eine si chere und genaue Abgaspartikel-Messung zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 gegebene Verfahren und die in Anspruch 4 angegebene Vorrich tung gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen zu entnehmen.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfin dungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sich durch die Veränderung des Querschnitts der kritischen Dose jederzeit eine Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs einstellen läßt, bei der Abgaskonzentrationen einen für den Schadstoffnachweis optimalen, d. h. möglichst großen Wert aufweisen. Dieser Vorteil besteht zunächst nur für die Er mittlung von Schadstoffen in den gasförmigen Abgasanteilen, da hier mit den dafür vorgesehenen Meßgeräten, z. B. nicht dispersive Infrarot-Meßgeräte, Gaskonzentrationen gemessen werden, während in den Partikelfiltern die Partikel gesammelt werden.

In bezug auf die Abgaspartikel-Messung stellen sich die Vor teile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungs gemäßen Vorrichtung wie folgt dar. Da erfindungsgemäß der Durchflußwert für den dem Partikelfilter zugeführten Teil gasstrom in proportionaler Abhängigkeit zu der veränderlichen Gesamtdurchflußmenge des Abgas -Verdünnungsluft-Gemischs ein gestellt wird, wird unabhängig von der jeweiligen Gesamt durchflußmenge jederzeit eine quasi-isokinetische Entnahme des Teilgasstromes aus dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch ermöglicht; d. h., an der Entnahmestelle treten keine die Messung verfälschenden Stau- oder Saugeffekte aufgrund unter schiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten auf. Einzige Voraus setzung hierfür ist, daß entsprechend der Erfindung das Ver hältnis der Querschnitte der Entnahmesonde und des Verdün nungstunnels an der Entnahmestelle zumindest annähernd dem Verhältnis des Durchflußwertes für den Teilgasstrom und der Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs ent spricht. Damit lassen sich große, d. h. in bezug auf die Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs nicht mehr vernachlässigbare Durchflußwerte des Teilgasstromes ein stellen, so daß auch bei geringen Partikelkonzentrationen im Abgas eine vergleichsweise hohe Beladung des Abgasfilters mit Abgaspartikeln während eines Meßvorganges und damit eine si chere und fehlerfreie Messung erreicht wird. Trotz des hohen Durchflußwertes des entnommenen Teilgasstroms kommt es zu keinen die Messung verfälschenden Störungen des Gesamtdurch flusses des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs. Auch die über die veränderbare kritische Düse eingestellte Abgaskonzentration in dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch bleibt ungestört.

Nach Vorschrift der Environment Protection Agency (EPA) muß die Entnahmesonde für Abgaspartikel einen minimalen Durch messer von 12,7 mm aufweisen. Im Rahmen der Er findung wird eine Entnahmesonde verwendet, deren Querschnitt an der Entnahmestelle größer, insbesondere um mindestens 50% größer ist, so daß der Durchflußwert des entnommenen Teilgas stromes mehr als doppelt so groß ist wie bei bisher üblichen Abgaspartikel-Messungen, ohne die quasi-isokinetische Ent nahme zu verlassen.

Da der Durchflußwert für den Teilgasstrom nicht konstant ist, sondern sich während der Meßdauer ändern kann, wird er vor zugsweise laufend erfaßt und zur Ermittlung einer Durchfluß menge des Teilgasstromes am Ende der Messung herangezogen. Als Ergebnis der Abgaspartikel-Messung wird dann das Verhält nis der Gewichtsdifferenz des Partikelfilters vor und nach der Messung zu der ermittelten Durchflußmenge des Teilgas stromes gebildet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen, die ein Ausführungs beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgaspartikel- Messung zeigt.

Zur Messung des Schadstoffausstoßes eines Kraftfahrzeuges 1 werden in einem Rollenprüfstand 2 unterschiedliche Fahrzyklen simuliert. Die Abgase 3 des Kraftfahrzeuges 1 werden dabei über eine Leitung 4 in einen im wesentlichen rohrförmigen Verdünnungstunnel 5 geleitet, in dem sie mit Verdünnungsluft gemischt werden. Hierzu wird Umgebungsluft 6 über ein Raum luftfilter 7 angesaugt und über Rohrleitungen 8 an einem Ende 9 in den Verdünnungstunnel 5 geleitet. An dem anderen Ende 11 des Verdünnungstunnels 5 ist hinter einem Mischer und Wärme tauscher 10 eine kritische Düse (Venturidüse) 12 mit ver stellbarer kegeliger Düsennadel 13 angeordnet, an die sich ein Gebläse oder eine Gasförderpumpe 14 anschließt. Durch Verstellung der Düsennadel 13 ist der Querschnitt der kriti schen Düse 12 und damit die Gesamtdurchflußmenge des Abgas- Verdünnungsluft-Gemischs veränderbar.

Zur Analyse der gasförmigen Schadstoffe in dem Abgas 3 wird dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch hinter dem Mischer 10 mit tels eines Entnahmerohrs 15 ein Teilgasstrom entnommen, mit dem Probenbeutel 16 gefüllt werden. Der Durchflußwert des Teilgasstromes wird dabei mittels eines Massendurchfluß reglers 17 geregelt. Da auch die Verdünnungsluft Schadstoffe enthalten kann, wird aus dem Verdünnungstunnel 5 in Strö mungsrichtung vor der Einleitung des Abgases 3 ein Verdün nungsluftteilstrom mittels eines weiteren Entnahmerohrs 18 entnommen und in weitere Probenbeutel 19 abgefüllt. Der Durchflußwert des Verdünnungsluftteilstromes wird dabei mit tels eines weiteren Massendurchflußreglers 20 geregelt.

Wegen des geringen Schadstoffausstoßes bei modernen Kraft fahrzeugen ist der Schadstoffnachweis in dem Teilstrom des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs zunehmend schwieriger. Zudem ändern sich die Verhältnisse zwischen Abgas und Verdünnungs luft aufgrund von Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen bei den simulierten Fahrzyklen ständig. Daher wird mittels der Düsennadel 13 die Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdün nungsluft-Gemischs im Sinne der Quasi-Konstanthaltung des Verdünnungsverhältnisses des Abgases 3 bei möglichst hohem Abgasanteil in dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch geregelt. Hierzu wird zunächst mittels eines Volumendurchflußmessers 21, der im Strömungsweg der Verdünnungsluft vor der Einlei tung des Abgases 3 in den Verdünnungstunnel 5 angeordnet ist, die Durchflußmenge der Verdünnungsluft gemessen und einer ei nen Rechner enthaltenden Regeleinrichtung 22 zur Bestimmung der Verdünnungsluftmenge zugeführt. Ferner werden in einem störungsberuhigten Bereich des Verdünnungstunnels 5 hinter dem Mischer 10 mittels zweier Meßfühler 23 und 24 Druck und Temperatur im Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch gemessen und ebenfalls der Regeleinrichtung 22 zugeführt. Diese errechnet aufgrund der ermittelten Verdünnungsluftmenge, des gemessenen Drucks und der Temperatur im Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch sowie aus dem sich aus der Stellung der Düsennadel 13 un mittelbar ergebenden Volumendurchfluß durch die kritische Düse 12 einen Istwert des Verdünnungsverhältnisses des Ab gases 3 in dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch. Aufgrund der Regelabweichung zwischen diesem Istwert und einem der Regel einrichtung 22 über einen Eingang 25 zugeführten Sollwert wird über eine Positionssteuerung 26 mit nachgeordnetem Stellantrieb 27 die Position der Düsennadel 13 im Sinne der Einstellung eines möglichst hohen konstanten Abgasanteils in dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch geregelt.

Zur Messung von festen Abgaspartikeln, hier Ruß, ist in dem Verdünnungstunnel 5 eine Entnahmesonde 28 angeordnet. Dieser ist ein Partikelfilter 29, hier bestehend aus drei nachein ander schaltbaren Filtereinheiten 30, nachgeordnet, an das sich eine regelbare Absaugvorrichtung 31 mit einem Massen durchflußregler 32 und einer Vakuumpumpe 33 anschließt. Zur Erhöhung der Absaugleistung kann der Vakuumpumpe 33 eine weitere Vakuumpumpe parallelgeschaltet sein, so wie dies ge strichelt dargestellt ist. Der Massendurchflußregler 32 ent hält ebenso wie die beiden anderen Massendurchflußregler 17 und 20 einen Massendurchflußmesser 34 mit nachgeordnetem Regelventil 35. Dabei liefert der Massendurchflußmesser 34 einen Durchfluß-Istwert, mit dessen Abweichung von einem von der Regeleinrichtung 22 vorgegebenen Durchfluß-Sollwert das Regelventil 35 gesteuert wird.

Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann anstelle des Regelventils 35 auch die Vakuumpumpe 33 in ihrer Pump leistung gesteuert werden.

Die hier nur schematisch dargestellte Entnahmesonde 28 weist an der Entnahmestelle 36 für den Teilgasstrom aus dem Verdün nungstunnel 5 einen Querschnitt auf, dessen Verhältnis zum Querschnitt des Verdünnungstunnels 5 gleich dem Verhältnis des gewünschten Durchflußwertes für den Teilgasstrom zu der Gesamtdurchflußmenge des Abgas -Verdünnungsluft-Gemischs ist. Dadurch wird eine quasi-isokinetische Entnahme des Teilgas stromes erreicht, bei der keine die Messung verfälschenden Stau- oder Saugeffekte aufgrund unterschiedlicher Strömungs geschwindigkeiten im Bereich der Entnahmestelle 36 auftreten. Der Querschnitt der Entnahmesonde 28 an der Entnahmestelle 36 und der dazu proportionale Durchflußwert für den entnommenen Teilgasstrom sind möglichst groß gewählt, so daß auch bei ge ringen Partikelkonzentrationen im Abgas 3 eine hohe Beladung des Partikelfilters 29 erreicht wird. Gegenüber üblichen Abgaspartikel-Messungen mit Entnahmesonden, die einen Durch messer von 12,7 mm (0,5 inch) aufweisen und einen Teilgas strom mit einem Durchflußwert von maximal 40 l/min entnehmen, wird z. B. bei einem eingangsseitigen Durchmesser der Ent nahmesonde 28 von 20 mm ein Durchflußwert von etwa 100 l/min erreicht. In diesem Zusammenhang können anstelle der bisher verwendeten Filter mit 47 mm Durchmesser Filter mit 70 mm Durchmesser verwendet werden, um zu vermeiden, daß durch die höhere Beladung des Partikelfilters 29 der Differenzdruck am Filter derart ansteigt, daß der erforderliche Unterdruck der Absaugvorrichtung 31 nicht ausreicht.

Um zu erreichen, daß die Entnahme des Teilgasstromes aus dem Abgas-Verdünnungsluft-Gemisch auch dann noch quasi-isokine tisch erfolgt, wenn beispielsweise aufgrund einer Verringe rung des Abgasausstoßes des Kraftfahrzeugs 1 durch Quer schnittsveränderung der Düse 12 die Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs im Sinne einer Konstanthaltung der Abgaskonzentration verringert wird, wird durch die Regel einrichtung 22 der Durchflußwert für den Teilgasstrom pro portional verringert. Während der Meßdauer wird der veränder liche Durchflußwert des Teilgasstromes in der Regeleinrich tung 22 laufend erfaßt und zur Ermittlung der insgesamten Durchflußmenge des Teilgasstromes am Ende der Messung heran gezogen. Als Ergebnis der Abgaspartikel-Messung wird dann das Verhältnis der Gewichtsdifferenz des Partikelfilters 29 vor und nach der Messung zu der ermittelten Durchflußmenge des Teilgasstromes gebildet.

Claims

1. Verfahren zur Abgaspartikel-Messung, insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren, wobei Abgas (3) und Verdünnungsluft (6) in einem Verdünnungstunnel (5) gemischt werden, aus dem über eine Entnahmesonde (28) mittels einer regelbaren Absaug vorrichtung (31) ein auf einen vorgegebenen Durchflußwert ge regelter Teilgasstrom entnommen und einem Partikelfilter (29) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß mittels einer dem Verdünnungstunnel (5) hinter der Ent nahmestelle (36) für den Teilgasstrom nachgeordneten kriti schen Düse (12) mit veränderbarem Querschnitt eine vorge gebene Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft- Gemischs eingestellt wird,
- daß in proportionaler Abhängigkeit von der eingestellten Gesamtdurchflußmenge der Durchflußwert für den Teilgasstrom eingestellt wird und
- daß eine Entnahmesonde (28) verwendet wird, deren Quer schnitt im Verhältnis zu dem Querschnitt des Verdünnungs tunnels (5) an der Entnahmestelle (36) für den Teilgasstrom zumindest annähernd gleich dem Verhältnis des Durchfluß wertes für den Teilgasstrom und der Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Entnahmesonde (28) verwendet wird, deren Quer schnitt an der Entnahmestelle (36) größere als 12,7 mm ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet,

- daß während der Meßdauer der veränderbare Durchflußwert des Teilgasstromes laufend erfaßt und zur Ermittlung einer Durchflußmenge des Teilgasstromes am Ende der Messung herangezogen wird und
- daß das Verhältnis der Gewichtsdifferenz des Partikel filters (29) vor und nach der Messung zu der ermittelten Durchflußmenge gebildet wird.

4. Vorrichtung zur Abgaspartikel-Messung, insbesondere bei Kraftfahrzeugmotoren, wobei Abgas (3) und Verdünnungsluft (6) in einem Verdünnungstunnel (5) gemischt werden, aus dem über eine Entnahmesonde (28) mittels einer regelbaren Absaug vorrichtung (31) ein auf einen vorgegebenen Durchflußwert ge regelter Teilgasstrom entnommen und einem Partikelfilter (29) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß dem Verdünnungstunnel (5) hinter der Entnahmestelle (36) für den Teilgasstrom eine kritische Düse (12) mit ver änderbarem Querschnitt nachgeordnet ist,
- daß eine Regeleinrichtung (22) vorhanden ist, die den Quer schnitt der Düse (12) im Sinne einer Einstellung einer vor gegebenen Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft- Gemischs verändert und in proportionaler Abhängigkeit dazu den Durchflußwert für den Teilgasstrom einstellt, und
- daß das Verhältnis der Querschnitte der Entnahmesonde (28) und des Verdünnungstunnels (5) an der Entnahmestelle (36) für den Teilgasstrom zumindest annähernd gleich dem Ver hältnis des Durchflußwertes für den Teilgasstrom und der Gesamtdurchflußmenge des Abgas-Verdünnungsluft-Gemischs ist.