DE19815273B4

DE19815273B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen von Kraftfahrzeug-Abgasen

Info

Publication number: DE19815273B4
Application number: DE19815273A
Authority: DE
Inventors: Ulrich-Dieter Dr. Standt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1997-04-16
Filing date: 1998-04-04
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2018-04-05
Also published as: DE19815273A1

Abstract

Verfahren zum Untersuchen von Kraftfahrzeugabgasen, bei dem Konzentrationen bzw. Konzentrationsverhältnisse gasförmiger Bestandteile (C_X H_Y, CO, CO₂, NO_x, N₂O, HCN, NH₃, SO₂, SO₃) eines Abgasstromes des Kraftfahrzeugs mit Infrarot-Spektroskopie untersucht werden, wobei eine polychromatische Infrarot-Strahlung in einem Abgasstrom eingestrahlt wird und eine durchgelassene Strahlung mittels einer Fouriertransformation untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom ungefiltert in einem Meßraum mit geheizten Wänden mit Infrarot-Strahlung bestrahlt wird, unter anderem Infrarot-Strahlung im Wellenlängenbereich eines Absorptionsspektrums von festem Kohlenstoff, vorzugsweise amorphen Kohlenstoff, eingestrahlt wird, und aus einer durch den Meßraum gelangten Strahlung die Konzentrationsverhältnisse von gasförmigen Bestandteilen und festem Kohlenstoff des Abgasstroms ermittelt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Untersuchen von Kraftfahrzeug-Abgasen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Zur Untersuchung von Kraftfahrzeug-Abgasen sind verschiedene Verfahren bekannt. Die WO 91/05994 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen des Rußgehalts in Kraftfahrzeug-Abgasen. Hierfür wird ein vorbestimmtes Volumen des Abgases eingeleitet, wovon ein Teil in einen Probenkanal und ein anderer Teil in einen Referenzkanal eingeleitet wird, in welchem sich ein Filter zum Auffangen der Partikel befindet. Aufgrund der Konzentrationsdifferenz zwischen dem Gas im Probenkanal und dem Gas im Referenzkanal kann die Konzentration von Kohlenstoff im durchströmenden Gas kontinuierlich gemessen werden. Das durch den Referenzkanal strömende Gas wird dabei durch einen Ofen erhitzt.
Die DE 36 19 301 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen der Aldehydkonzentration in Abgasen, bei dem das Abgas in einen Probenkanal und einen davon abzweigenden Referenzkanal eingelassen wird, indem sich ein Filter für das Aldehyd befindet. Die Probengase in dem Probenkanal und dem Referenzkanal werden von einem Infrarot-Gasanalysator kontinuierlich auf jeweilige Konzentrationsunterschiede des Aldehyd untersucht. Die durch den Probenkanal und den Referenzkanal strömenden Gase werden durch einen Ofen erhitzt.
Die DE 33 22 870 A1 beschreibt eine Meßvorrichtung zum kontinuierlichen Messen der Konzentration von Partikeln in einem Kraftfahrzeug-Abgas, bei dem von einem Probenkanal ein Referenzkanal mit einem Filter abzweigt. Die Partikelkonzentration wird auf Grundlage der gemessenen Konzentrationsdifferenzen zwischen dem Probengas und dem Referenzgas im Referenzkanal hinter dem Filter ermittelt. Weiterhin kann die Partikelkonzentration in dem Abgas zusammen mit dem Filter durch eine Waage zur Gewichtsmessung ermittelt werden. Hierzu wird ein vorbestimmtes Volumen eines erhitzten Abgases in einen Gaskanal geleitet, in dem sich ein Filter befindet, so daß sich die Partikel auf dem Filter sammeln und im Anschluß durch eine Präzisionswaage gemessen werden können. Durch eine Differenz messung vor und nach der Messung läßt sich somit die Masse der Partikel auf dem Filter bestimmen.
Nachteilhaft ist jedoch, daß sich auch Wasser am Filter ablagert, so daß der Filter nach Durchströmung mit dem Gas aufwendig getrocknet werden muß. Die in den Partikeln enthaltenen flüchtigen HC-Komponenten müssen anschließend mit organischen Lösungsmitteln aus den Partikeln extrahiert werden, während in den Partikeln enthaltenes Sulfat mit destilliertem Wasser extrahiert werden muß. Die gesamte Messung ist somit zeitaufwendig und störanfällig. Weiterhin muß der Filter mit den angesammelten Partikeln nach der Messung aus dem Gaskanal herausgenommen werden, so daß eine kontinuierliche Messung nicht durchgeführt werden kann.
Um hier Verbesserung zu schaffen, wurde ein Rauchmeßgerät vom Hertridge-Typ vorgeschlagen, bei welchem Licht auf die zu messenden Partikel auftrifft, so daß durch die Änderung der Lichtdurchlässigkeit des Partikelstroms Rückschlüsse auf die Partikelmenge getroffen werden sollen. Allerdings lassen sich die flüchtigen Kohlenwasserstoff-Komponenten (C_x H_y) nicht getrennt vom Trockenruß messen.
Die DE 42 20 997 C2 beschreibt ein Verfahren, bei dem das Abgas ebenfalls in einen Probengaskanal und einen davon abzweigenden Referenzkanal geleitet wird. In dem Referenzkanal ist ein Auffangfilter zum Sammeln von partikelförmigen Stoffen des Probengases enthalten. Das Referenzgas wird nach der Filtrierung anschließend in einem Ofen auf etwa 1000°C erhitzt, so daß die Kohlenmonoxid-(CO) und Kohlenwasserstoff-(HC)Komponenten oxidieren und in CO₂ bzw. H₂O umgewandelt werden. Das Sulfat wandelt sich entsprechend in SO₂ um. Mit Hilfe eines H₂O-Detektors, CO₂-Detektors und SO₂-Detektors lassen sich anschließend in einem Meßraum die Konzentrationen dieser Gase alternierend im Probengas bzw. Referenzgas messen, so daß anschließend die Konzentrationen von Trockenruß (festem Kohlenstoff), Kohlenwasserstoffen (HC) und Schwefel (S) durch ein lineares Gleichungssystem aufgrund der gemessenen Konzentration der jeweiligen Gasbestandteile in dem Probengas und dem Referenzgas berechnen lassen.
Zwar erlaubt ein derartiges Meßverfahren bereits durch alternierende Messungen des Referenzgases und des Probengases eine weitgehend kontinuierliche Messung der Konzentrationen sowohl von gasförmigen Bestandteilen als auch von Trockenruß (festem Kohlenstoff) im Abgas. Auch hier ist jedoch ein periodisches Austauschen des mit Partikeln und Flüssigkeit behafteten Filters notwendig. Weiterhin sind grundsätzlich auch hier in den im Filter haftenbleibenden Partikeln weitere Kohlenwasserstoffe und Wasser enthalten, die eine genaue Bestimmung der Konzentration dieser Stoffe im ungereinigten Abgas verhindern. Weiterhin ist eine Oxidation des Abgases aufwendig und zusammen mit der alternierenden Messung des Referenzgases und Probengases zeitaufwendig.
Aus Analytical Chemistry, Band 58, Nr. 1, Januar 1986 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Aldehydkonzentrationen mit Hilfe der Fouriertransformation-Infrarot-Spektrometrie (FT-IR) bekannt, bei dem polychromatisches Infrarotlicht durch den Abgasstrom gestrahlt und aus einer Frequenzanalyse der absorbierten Inrarotstrahlung auf die Konzentrationsverhältnisse des Aldehyds zu anderen gasförmigen Bestandteilen des Abgases geschlossen. Auch in diesem Fall ist jedoch zur Bestimmung der Bestandteile an festem Kohlenstoff ein Filter zum Sammeln der festen Partikeln notwendig.
Aus der DE 23 31 890 ist bereits ein Fourierspektrometer zur Ermittlung der Konzentration einzelner gasförmiger Komponenten eines auch feste Teilchen enthaltenen Gasgemisches bekannt, das eine Küvette durchströmt. Vor der Küvette ist ein Teilchenseparator angeordnet. Ferner ist aus der DE 42 03 588 C2 ein quantitatives spektralanalytisches Verfahren bekannt, bei dem eine Probe mit Licht bestrahlt und ein Absorptionsspektrum aufgenommen wird. Es wird dabei für eine Mehrzahl von vorbestimmten Wellenzahlpunkten im aufgenommen Absorptionsspektrum das Absorptionsvermögen ermittelt und auf der Grundlage der ermittelten Absorptionsvermögen die Konzentration von in der zu messenden Probe vorhandenen Bestandteilen berechnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untersuchung von Kraftfahrzeugabgasen und eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens zu schaffen, die eine schnelle, kostengünstige und genaue Bestimmung der Konzentration sowohl gasförmiger Bestandteile als auch fester Bestandteile eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeugs ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 5 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, die Abgase ungefiltert mittels einer polychromatischen Infrarot-Strahlung zu untersuchen. Um ein Niederschlagen von Partikeln der Abgase an den Meßwänden zu verhindern, ist der Meßraum mit geheizten Wänden versehen. Da erfindungsgemäß die Konzentrationen sowohl der gasförmigen Bestandteile als auch des festen Kohlenstoffs der Partikel durch eine Infrarot-Spektroskopie mit Fouriertransformation ermittelt werden, kann somit die Zusammensetzung des Abgasstroms vorteilhafterweise in einem Meßraum durchgeführt werden, ohne daß ein Teil des Abgasstroms gefiltert werden muß. Somit entfällt auch das periodische Auswechseln der Filter. Die spektroskopische Analyse des Gehalts an festem Kohlenstoff ist zudem deutlich genauer als eine Bestimmung über eine Differenzwägung eines Filters.
Zwischen dem Auslaß der Brennkraftmaschine für die Kraftfahrzeugabgase und dem Meßraum kann nach Anspruch 2 ein beheizter Verbindungsweg angeordnet werden, wobei durch das Heizen der Wände dieses Verbindungswegs ein ungewollter Niederschlag von Partikel vermieden wird.
Durch die spektroskopische Messung mit anschließender Fouriertransformation können insbesondere nach Anspruch 3 Kohlenwasserstoffe, Kohlenoxide, Stickoxide und Wasser als gasförmige Bestandteile in dem Abgas ermittelt werden. Da die Partikelmasse nicht direkt gemessen wird, sondern der Gehalt an festem Kohlenstoff in dem Abgasstrom durch die spektroskopische Untersuchung mitbestimmt wird, kann auf eine Partikelmasse in dem abgekühlten Abgasstrom, bei dem Wasser und flüchtige Kohlenwasserstoffe an den Partikeln haften, anschließend nach Anspruch 4 aus den gemessenen Werten des Wassers, der Kohlenwasserstoffe und des festen Kohlenstoffs zurückgerechnet werden. Entsprechend kann nach Anspruch 5 ein an den Partikeln haftender Gehalt an Schwefelsäure bestimmt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an einer Ausführungsform näher erläutert. Die Figur beschreibt den Aufbau einer Maßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Abgase aus einem Auslaß einer Brennkraftmaschine, z. B. eines Ottomotors oder Dieselmotors 1 werden über einen mit einer Heizschlange 8 versehenen Verbindungsweg 2 in eine Küvette 3 geleitet, deren Wände mit einer Heizeinrichtung 9 versehen sind. Von einem Infrarot-Emitter 4 wird polychromatisches Infrarotlicht, d. h. Infrarotlicht eines größeren Wellenlängenbereichs, durch die Küvette 3 gestrahlt. Am anderen Ende des Meßraums ist ein Infrarot-Sensor 5 angeordnet, der wellenlängendispersiv die Intensitätsverteilung von Infrarotlicht messen kann. Die Meßsignale des Sensors 5 werden an eine Berechnungseinrichtung 6 weitergeleitet, in der eine Fast-Fourier-Transformation des Meßsignals der Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge durchgeführt wird. In einer nachfolgend angeordneten Bewertungseinrichtung 7 werden aus den Signalverhältnissen bei verschiedenen Wellenlängen Rückschlüsse auf die Konzentrationsverhältnisse in dem Abgasstrom gezogen.
Erfindungsgemäß erstreckt sich der Wellenlängenbereich der polychromatischen Infrarot-Strahlung, die von dem Emitter 4 ausgestrahlt wird, auch über Wellenlängenbereiche, in denen eine stärkere Absorption durch festen Kohlenstoff, insbesondere amorphen Kohlenstoff stattfindet. Somit läßt sich eine Konzentration von festen Kohlenstoff, der den Hauptbestandteil von festem Ruß bzw. Schwarzruß bildet, direkt im Abgasstrom messen, ohne daß eine Verzweigung der Küvette 3 in einen Hauptkanal und einen Nebenkanal notwendig ist. Eine derartige Unterteilung kann jedoch zusätzlich vorgenommen werden, um z. B. Vergleichsmessungen zu haben.
Die vom Detektor 5 wellenlängendispersiv gemessenen Intensitäten I (lamda) werden anschließend in einer Berechnungseinheit 6 einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen. Die Rechenergebnisse werden in einer nachfolgenden Bewertungseinheit 7 in Konzentrationsverhältnisse der verschiedenen Substanzen umgerechnet.
Weiterhin ist erfindungsgemäß keine Verdünnung des Abgasstroms mit einem Trägergas notwendig. Sie kann jedoch aus meßtechnischen Zwecken zusätzlich vorgenommen werden.
Zur Analyse eines Abgasstroms kann dabei insbesondere der Gehalt an Kohlenwasserstoffen (C_x H_y), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Stickoxiden (N₂O, NO_x), gegebenenfalls Cyanwasserstoff (HCN), Ammoniak (NH₃) und festem Kohlenstoff (C) sowie gegebenenfalls Schwefeloxiden (SO₂, SO₃) gemessen werden, aus denen sich in einem abgekühlten Abgasstromes später schwefelige Säure bzw. Schwefelsäure bilden würden.
Als interessanter Wellenlängenbereich bietet sich insbesondere eine Kontiniuumsbande des Kohlenstoffs im Infrarotbereich an.
Durch das erfindungsgemäße Meßverfahren wird somit eine Untersuchung von Konzentrationen oder Konzentrationsverhältnissen sowohl gasförmiger Bestandteile als auch von festen Partikeln wie Schwarzruß in einem unfiltrierten und unverdünnten Abgasstrom z. B. einer Ottobrennkraftmaschine oder einer Dieselbrennkraftmaschine, möglich.
In der Berechnungseinheit 7 lassen sich auch entsprechende Abgaswerte an einem abgekühlten Abgasstrom messen, in denen z. B. Wasser (H₂O) und flüchtige Kohlenwasserstoffe sowie schwefelige Säure oder Schwefelsäure an den Partikeln haften, indem bekannte Werte für derartige Adhäsionen und Absorptionen herangezogen werden.

Claims

Verfahren zum Untersuchen von Kraftfahrzeugabgasen, bei dem Konzentrationen bzw. Konzentrationsverhältnisse gasförmiger Bestandteile (C_X H_Y, CO, CO₂, NO_x, N₂O, HCN, NH₃, SO₂, SO₃) eines Abgasstromes des Kraftfahrzeugs mit Infrarot-Spektroskopie untersucht werden, wobei eine polychromatische Infrarot-Strahlung in einem Abgasstrom eingestrahlt wird und eine durchgelassene Strahlung mittels einer Fouriertransformation untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom ungefiltert in einem Meßraum mit geheizten Wänden mit Infrarot-Strahlung bestrahlt wird, unter anderem Infrarot-Strahlung im Wellenlängenbereich eines Absorptionsspektrums von festem Kohlenstoff, vorzugsweise amorphen Kohlenstoff, eingestrahlt wird, und aus einer durch den Meßraum gelangten Strahlung die Konzentrationsverhältnisse von gasförmigen Bestandteilen und festem Kohlenstoff des Abgasstroms ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Auslaß einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeug-Abgase und dem Meßraum ein beheizter Verbindungsweg vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßsignalen die Konzentrationen oder Konzentrationsverhältnisse einiger oder aller der folgenden gasförmigen Stoffe bestimmt werden: Kohlenwasserstoffe (CX HY), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Stickoxide (Nx Oy), Cyanwasserstoff (HCN), Ammoniak (NH3), Schwefeloxide (SOx).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten Konzentrationen oder Konzentrationsverhältnissen von gasförmigen Bestandteilen, insbesondere Wasser, Kohlenwasserstoffen und Schwefeloxiden, sowie den ermittelten Konzentrationen bzw. Konzentrationsverhältnissen von festem Kohlenstoff Werte von bei abgekühltem Abgas am Ruß haftenden Wasser, Kohlenwasserstoffen und Schwefelsäure gefolgert wird.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer als Meßraum dienenden Küvette, deren Wände heizbar sind, einer Infrarot-Strahlen aussendenden Einrichtung und einer Infrarot-Strahlen empfangenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Strahlen empfangende Einrichtung eingerichtet ist, um wellenlängendispersiv die Intensitätsverteilung von Infrarotlicht zu messen und dass eine Berechnungseinrichtung vorgesehen ist, in der eine Fast-Fourier-Transformation des Meßsignals der Infrarot-Strahlen empfangenden Einrichtung durchgeführt wird und dass eine Bewertungseinheit vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um aus den Signalverhältnissen bei verschiedenen Wellenlängen Rückschlüsse auf die Konzentrationsverhältnisse in dem Abgasstrom zu ziehen.